ไลดาร์คืออะไร? วิธีทำงานและการใช้งานเครื่องสแกนไลดาร์

คำตอบสั้น ๆ: ไลดาร์คืออะไร? ไลดาร์ (light detection and ranging) เป็นวิธีสำรวจระยะไกลที่ยิงพัลส์เลเซอร์หรือลำแสงเลเซอร์มอดูเลตไปยังพื้นผิว และวัดแสงสะท้อนกลับเพื่อคำนวณระยะ เครื่องสแกนไลดาร์กวาดลำแสงทั่วบริเวณและบันทึกจุด 3 มิติหลายล้านจุดต่อวินาที สร้างพอยต์คลาวด์สำหรับทำแผนที่ สำรวจ ก่อสร้าง และตรวจสอบ

ประเด็นสำคัญ

ไลดาร์วัดระยะจากเวลาเดินทางหรือเฟสของแสงเลเซอร์สะท้อน และรวมกับมุมลำแสงเพื่อสร้างจุด 3 มิติ
ระบบไลดาร์หลักคือทางอากาศ ภาคพื้น เคลื่อนที่ และแบบมือถือ โดยแต่ละแบบแลกระหว่างระยะ ความแม่นยำ และความเร็วต่างกัน
ไลดาร์ภาคพื้นระดับงานสำรวจมักมีสัญญาณรบกวนระยะระดับมิลลิเมตร ขณะที่ไลดาร์ทางอากาศมักแม่นยำระดับหลายเซนติเมตร
ไลดาร์มองทะลุผนังหรือพื้นดินทึบไม่ได้ วัดเฉพาะพื้นผิวที่แสงเลเซอร์เข้าถึงและสะท้อนกลับได้
การเลือกเครื่องสแกนไลดาร์เริ่มจากผลส่งมอบ: ขนาดพื้นที่ ความแม่นยำที่ต้องการ และการสแกนภายใน ภายนอก หรือขณะเคลื่อนที่

ไลดาร์คืออะไรและหมายถึงอะไร?

หากคุณถามว่าไลดาร์คืออะไร คำตอบสั้น ๆ คือวิธีวัดโลกด้วยแสงเลเซอร์ คำนี้ย่อมาจาก light detection and ranging เซนเซอร์ไลดาร์ปล่อยพลังงานเลเซอร์ ตรวจจับแสงสะท้อนจากพื้นผิว และแปลงเวลาหรือเฟสของสัญญาณกลับเป็นระยะ

ระยะหนึ่งค่าเพียงอย่างเดียวไม่ค่อยมีประโยชน์ เครื่องสแกนไลดาร์ทรงพลังเพราะบันทึกมุมราบและมุมดิ่งที่แม่นยำของทุกการวัดด้วย ระยะพร้อมมุมสองค่าทำให้ได้พิกัด X, Y, Z และเครื่องสแกนทำซ้ำหลายแสนถึงหลายล้านครั้งต่อวินาที

ผลลัพธ์คือพอยต์คลาวด์ ชุดจุด 3 มิติหนาแน่น ซึ่งมักมีค่าความเข้มและสี อธิบายรูปทรงอาคาร ภูมิประเทศ ห้องเครื่อง ถนน หรือชิ้นส่วนอุตสาหกรรม จากนั้นวิศวกรวัด สร้างแบบจำลอง และเปรียบเทียบข้อมูลแทนการกลับไปหน้างาน

เทคโนโลยีไลดาร์ทำงานอย่างไร?

เทคโนโลยีไลดาร์วัดเวลาที่แสงเดินทางถึงเป้าหมายและกลับมา หรือวัดการเปลี่ยนเฟสของลำแสงมอดูเลต ทั้งสองวิธีอาศัยความเร็วแสงคงที่ประมาณ 300,000 km ต่อวินาที

ไลดาร์แบบจับเวลาเดินทาง (พัลส์)

เครื่องสแกนพัลส์ส่งพัลส์เลเซอร์สั้นและจับเวลาการกลับ ระยะเท่ากับความเร็วแสงคูณเวลาไปกลับหารสอง เนื่องจากพัลส์แรงและสั้นได้ เครื่องแบบจับเวลาเดินทางจึงวัดได้ไกลและทำงานกลางแจ้งกับบนอากาศยานได้ดี

ไลดาร์แบบเลื่อนเฟส

เครื่องสแกนเลื่อนเฟสปล่อยลำแสงต่อเนื่องที่มอดูเลตด้วยความถี่ทราบค่า และเปรียบเทียบเฟสสัญญาณขาออกกับขากลับ ทำให้วัดได้เร็วมากและมีสัญญาณรบกวนต่ำในระยะใกล้ถึงปานกลาง จึงใช้ในเครื่องสแกนภาคพื้นสำหรับอาคารจำนวนมาก

การเบนลำแสงและระบุตำแหน่ง

กระจก หัวหมุน หรือออปติกโซลิดสเตตบังคับลำแสงทั่วบริเวณ เครื่องสแกนภาคพื้นหมุนบนขาตั้งคงที่ ส่วนระบบไลดาร์เคลื่อนที่และทางอากาศเพิ่ม GNSS กับหน่วยวัดความเฉื่อย (IMU) หรือซอฟต์แวร์ SLAM เพื่อทราบว่าเซนเซอร์อยู่ที่ใดทุกขณะ

ระบบไลดาร์ประเภทหลักมีอะไรบ้าง?

ระบบไลดาร์มักแบ่งตามวิธีบรรทุกเซนเซอร์ ได้แก่ จากอากาศ บนขาตั้ง บนรถ หรือถือด้วยมือ แพลตฟอร์มเป็นตัวกำหนดความเร็วครอบคลุม ความแม่นยำ และต้นทุน มากกว่าข้อมูลจำเพาะเซนเซอร์ข้อใดข้อหนึ่ง

ประเภท	แพลตฟอร์มทั่วไป	การใช้งานทั่วไป	ความแม่นยำทั่วไป
ไลดาร์ทางอากาศ	เครื่องบิน เฮลิคอปเตอร์ โดรน	ทำแผนที่แนวเส้นทางและภูมิประเทศ ป่าไม้ และแบบจำลองน้ำท่วม	หลาย cm (แนวดิ่งมักราว 5–15 cm)
ไลดาร์ภาคพื้น	เครื่องสแกนบนขาตั้ง	อาคาร สำรวจสภาพก่อสร้างจริง โรงงาน และมรดกวัฒนธรรม	สัญญาณรบกวนระยะระดับมิลลิเมตรในระยะใกล้
ไลดาร์เคลื่อนที่	รถ รถเข็นราง และเรือ	ถนน ทางรถไฟ ภูมิทัศน์ถนน และแผนที่โครงสร้างพื้นฐาน	ระดับเซนติเมตรเมื่อ GNSS และหมุดควบคุมดี
ไลดาร์แบบมือถือ	ผู้ปฏิบัติงานเดินเท้าและเป้สะพายหลัง	ภายในอาคาร อุโมงค์ กองวัสดุ และเก็บข้อมูลพื้นที่อย่างรวดเร็ว	สัมพัทธ์ทั่วไป 1–3 cm

ตัวเลขเป็นช่วงทั่วไป ไม่ใช่การรับประกัน ความแม่นยำจริงขึ้นอยู่กับระยะ พื้นผิวเป้าหมาย การสอบเทียบ การอ้างอิงพิกัดภูมิศาสตร์ และการประมวลผล หากต้องการเจาะลึกงานบนขาตั้ง ดูคู่มือความแม่นยำการสแกนเลเซอร์ภาคพื้นและกระบวนการภาคสนามของเรา

ไลดาร์ 2 มิติเทียบกับไลดาร์ 3 มิติ

เซนเซอร์ไลดาร์ 2 มิติสแกนระนาบเดียว เหมาะกับตรวจสิ่งกีดขวางในหุ่นยนต์และระบบความปลอดภัย เครื่องสแกนไลดาร์ 3 มิติเพิ่มแกนหมุนที่สองหรือหลายลำแสง จึงเก็บปริมาตรครบ งานสำรวจและทำแผนที่ไลดาร์แทบทั้งหมดต้องใช้ข้อมูล 3 มิติ

เครื่องสแกนไลดาร์ทำอะไรในงานสำรวจและก่อสร้าง?

ในงานสำรวจและก่อสร้าง เครื่องสแกนไลดาร์เก็บสภาพปัจจุบันได้ครบและเร็ว ทีมจึงวัดในสำนักงานแทนภาคสนาม แทนการวัดทีละจุดด้วยเทป กล้องประมวลผลรวม หรือ GNSS ด้วยจุดหลายล้านจุด

ภูมิประเทศไลดาร์และการสำรวจภูมิประเทศ: ไลดาร์ทางอากาศและโดรนสร้างแบบจำลองพื้นดินเปล่า เส้นชั้นความสูง และวิเคราะห์ความลาดชันในพื้นที่ใหญ่
สภาพก่อสร้างจริงและ scan-to-BIM: เครื่องสแกนภาคพื้นบันทึกรายละเอียดโครงสร้าง เครื่องกล และสถาปัตยกรรม เพื่อปรับปรุงและตรวจการชนกัน
ทำแผนที่โครงสร้างพื้นฐาน: การสำรวจไลดาร์เคลื่อนที่ของถนน สะพาน อุโมงค์ และทางรถไฟเก็บระยะว่างและสภาพพื้นผิว
ปริมาตร: วัดกองวัสดุและงานดินจากการสแกนซ้ำได้
ติดตามการเปลี่ยนรูป: เปรียบเทียบการสแกนตามเวลาเพื่อเห็นการทรุดตัวหรือเคลื่อนตัว

เครื่องสแกนไลดาร์สำหรับก่อสร้างมีประโยชน์ที่สุดเมื่อพื้นที่ซับซ้อน แออัด หรืออันตราย เพราะทีมอยู่ห่างและเก็บทุกอย่างได้ในครั้งเดียว บทสรุปการสแกน SLAM และการทำแผนที่เคลื่อนที่แบบมือถือของเราครอบคลุมการเดินเก็บข้อมูลในอาคารและอุโมงค์

ไลดาร์แม่นยำเพียงใด และอะไรจำกัดระยะไลดาร์?

ความแม่นยำไลดาร์ขึ้นอยู่กับแพลตฟอร์ม ระยะถึงเป้าหมาย และคุณภาพการอ้างอิงพิกัดภูมิศาสตร์ของข้อมูลเป็นหลัก เครื่องสแกนภาคพื้นมักแม่นยำที่สุด ส่วนระบบทางอากาศแลกความแม่นยำกับพื้นที่ครอบคลุม

ระยะไลดาร์จำกัดด้วยกำลังเลเซอร์ ชั้นความปลอดภัยต่อดวงตา การสะท้อนของพื้นผิว และอัตราการวัด พื้นผิวมืด เปียก หรือมันวาวสะท้อนแสงกลับน้อยกว่า ข้อมูลจำเพาะจึงมักระบุระยะเทียบกับค่าการสะท้อน เช่น สีขาว 90 % หรือสีเทา 18 % อัตราการวัดเร็วขึ้นมักหมายถึงระยะสูงสุดสั้นลง

ตัวอย่างจริง เครื่องสแกนเลเซอร์ 3 มิติภาคพื้นของเราวัดได้สูงสุด 2 ล้านจุดต่อวินาที ในระยะ 0.5–70 m หรือ 0.5–150 m (สีขาว 90 %) รุ่นระยะไกลทำได้ 614 m ที่ 0.5 Mpts/s แต่ 153 m ที่ 2 Mpts/s แสดงการแลกความเร็วกับระยะอย่างชัดเจน

ความยาวคลื่นไลดาร์และความปลอดภัยต่อดวงตา

ไลดาร์สำรวจส่วนใหญ่ใช้แสงอินฟราเรดใกล้ ความยาวคลื่นราว 905 nm และ 1550 nm พบได้บ่อย โดยย่าน 1550 nm ใช้กำลังได้มากกว่าภายในขีดจำกัดความปลอดภัยต่อดวงตา แสงสีเขียวใกล้ 532 nm ทะลุน้ำและใช้วัดความลึกน้ำด้วยไลดาร์ ชั้นความปลอดภัยเลเซอร์กำหนดใน IEC 60825-1 และ ระดับ 1 หมายถึงปลอดภัยต่อดวงตาภายใต้การใช้งานปกติ

ไลดาร์เทียบกับการสแกนเลเซอร์และโฟโตแกรมเมทรี

ไลดาร์และการสแกนเลเซอร์โดยพื้นฐานเป็นเทคโนโลยีเดียวกัน "เครื่องสแกนเลเซอร์" เป็นคำทั่วไปสำหรับเครื่องมือสำรวจบนขาตั้งและแบบมือถือ ส่วน "ไลดาร์" ใช้มากกว่ากับเซนเซอร์ทางอากาศ ยานยนต์ และเคลื่อนที่ การถกเถียงเลเซอร์กับไลดาร์จึงส่วนใหญ่เป็นเรื่องคำเรียก

การเปรียบเทียบที่มีประโยชน์กว่าคือไลดาร์กับโฟโตแกรมเมทรี ซึ่งสร้างแบบจำลอง 3 มิติจากภาพถ่ายซ้อนทับกัน

ปัจจัย	ไลดาร์ / การสแกนเลเซอร์	โฟโตแกรมเมทรี
หลักการวัด	วัดระยะด้วยเลเซอร์เชิงรุก	ภาพแบบรับแสงและการหาตำแหน่งด้วยสามเหลี่ยม
แสงน้อยและภายในอาคาร	ทำงานในความมืดได้	ต้องมีแสงดี
พืชพรรณ	สัญญาณสะท้อนหลายครั้งเข้าถึงพื้นผ่านช่องว่างได้	มักจำลองได้เฉพาะยอดเรือนยอด
พื้นผิวที่มีลวดลายน้อย	วัดโดยตรง	ทำได้ยากบนผนังเรียบ น้ำ และหิมะ
รายละเอียดสี	ต้องเพิ่มกล้องถ่ายภาพ	มีพื้นผิวสีจากภาพถ่ายโดยตรง

หลายโครงการรวมทั้งสอง โดยใช้ไลดาร์สำหรับรูปทรงและกล้องสำหรับสี "กล้องไลดาร์" มักหมายถึงการจับคู่เซนเซอร์ความลึกกับกล้อง RGB แบบนี้

การประมวลผลข้อมูลไลดาร์: จากสแกนดิบสู่ผลส่งมอบ

ข้อมูลไลดาร์ดิบมีประโยชน์หลังผ่านการประมวลผล ได้แก่ ลงทะเบียน ทำความสะอาด จำแนกประเภท และสร้างแบบจำลอง ควรเผื่อเวลาสำนักงานสำหรับขั้นตอนนี้ เพราะมักใช้เวลานานกว่างานภาคสนาม

นำเข้าและลงทะเบียน: จัดสแกนแต่ละชุดให้ตรงกันในระบบพิกัดเดียวโดยใช้เป้า รูปทรงซ้อนทับ หรือแนววิถี GNSS/IMU
อ้างอิงพิกัดภูมิศาสตร์: ผูกพอยต์คลาวด์กับหมุดควบคุมสำรวจเพื่อให้ตรงกับพิกัดโครงการ
ทำความสะอาด: ลบสัญญาณรบกวน วัตถุเคลื่อนที่ และจุดหลง
จำแนกประเภท: แยกพื้นดิน พืชพรรณ อาคาร และประเภทอื่น โดยเฉพาะสำหรับแบบจำลองภูมิประเทศ
สร้างผลส่งมอบ: แบบจำลองภูมิประเทศดิจิทัล เส้นชั้นความสูง รูปตัด แบบ 2 มิติ เมช แบบจำลองไลดาร์ 3 มิติ หรือองค์ประกอบ BIM
ส่งออก: รูปแบบเปิด เช่น LAS/LAZ และ E57 ช่วยให้ย้ายข้อมูลระหว่างแอปพลิเคชันได้

คู่มือการประมวลผลและลงทะเบียนพอยต์คลาวด์ของเราอธิบายแต่ละขั้นตอนละเอียดขึ้น

ราคาไลดาร์และวิธีเลือกเครื่องสแกนไลดาร์

ราคาไลดาร์ต่างกันตามแพลตฟอร์มและระดับความแม่นยำมากกว่าตามแบรนด์ เซนเซอร์ไลดาร์ต้นทุนต่ำสำหรับหุ่นยนต์มีราคาไม่แพง ส่วนระบบไลดาร์ภาคพื้น แบบมือถือ และทางอากาศระดับงานสำรวจเป็นอุปกรณ์ลงทุนสำหรับมืออาชีพ

โดยทั่วไปเพื่อเป็นแนวทางกว้าง ๆ เครื่องสแกนมือถือและภาคพื้นระดับงานสำรวจมักมีราคาหลักหมื่นดอลลาร์สหรัฐ และระบบทางอากาศสูงกว่า ซอฟต์แวร์ การฝึกอบรม และเวลาประมวลผลเพิ่มต้นทุนรวม ใช้ข้อมูลนี้เป็นแนวทางเท่านั้น ราคาไลดาร์ที่แน่นอนขึ้นอยู่กับการจัดชุด

ก่อนเลือก ให้ตอบคำถามเหล่านี้:

ต้องการผลส่งมอบอะไร และแม่นยำเท่าใด?
งานส่วนใหญ่อยู่ภายในอาคาร ภายนอก หรือแนวเส้นทางยาว?
พื้นที่งานทั่วไปต้องการระยะสูงสุดและความเร็วสแกนเท่าใด?
ต้องอ้างอิงพิกัดภูมิศาสตร์กับหมุดควบคุม GNSS หรือไม่?

สำหรับกระบวนการเดินเก็บข้อมูล เครื่องสแกนเลเซอร์ SLAM แบบมือถือหนัก 925 g และให้ความหนาพอยต์คลาวด์ ≤ 1 cm หลังประมวลผลภายหลัง Mars Geosystems จำหน่ายเครื่องสแกนตั้งแต่หนึ่งเครื่อง พร้อมตัวเลือก OEM สำหรับตัวแทนจำหน่าย คุณสามารถขอใบเสนอราคาอุปกรณ์ไลดาร์พร้อมรายละเอียดโครงการ

บทความเพิ่มเติมจากวิศวกรของเรา: เปรียบเทียบประเภทไลดาร์

คำถามที่พบบ่อย

อธิบายง่าย ๆ ไลดาร์ทำงานอย่างไร?

เครื่องไลดาร์ยิงแสงเลเซอร์ไปยังพื้นผิวและวัดเวลาที่แสงสะท้อนกลับหรือการเปลี่ยนเฟส เนื่องจากทราบความเร็วแสง จึงแปลงเวลาเป็นระยะได้ เมื่อรวมกับมุมลำแสง แต่ละการวัดกลายเป็นจุด 3 มิติ และจุดหลายล้านจุดสร้างเป็นแบบจำลองบริเวณนั้น

ไลดาร์มองทะลุผนังได้หรือไม่?

ไม่ได้ ไลดาร์ต้องมีแนวเล็งชัด เพราะแสงเลเซอร์สะท้อนจากพื้นผิวทึบแรกที่กระทบ จึงผ่านผนัง คอนกรีต หรือดินไม่ได้ แต่มองผ่านช่องว่าง เช่น ประตูเปิด หน้าต่าง หรือช่องระหว่างใบไม้ได้ จึงเป็นเหตุให้ไลดาร์ทางอากาศมักเข้าถึงพื้นดินใต้เรือนยอดป่าได้

ไลดาร์ทะลุพื้นดินได้ลึกเพียงใด?

ไลดาร์ไม่ทะลุพื้นดินทึบเลย สิ่งที่วัดใต้พืชพรรณคือผิวดินที่มองเห็นผ่านช่องว่างเรือนยอด หากต้องการทำแผนที่ท่อ สายเคเบิล หรือโพรงที่ฝังอยู่ ต้องใช้วิธีอื่น เช่น เรดาร์หยั่งทะลุพื้นดินหรือเครื่องค้นหาแม่เหล็กไฟฟ้า โดยปกติผูกกับตำแหน่ง GNSS

ไลดาร์ทางอากาศกับไลดาร์ภาคพื้นต่างกันอย่างไร?

ไลดาร์ทางอากาศบินบนเครื่องบินหรือโดรนและครอบคลุมพื้นที่ใหญ่ได้รวดเร็ว โดยทั่วไปมีความแม่นยำหลายเซนติเมตร เครื่องสแกนไลดาร์ภาคพื้นอยู่บนขาตั้ง เก็บรายละเอียดหนาแน่นกว่ามากจากระดับพื้น และมักมีสัญญาณรบกวนการวัดระยะระดับมิลลิเมตรในระยะใกล้ แต่ครอบคลุมพื้นที่ต่อวันน้อยกว่า

การสำรวจไลดาร์เคลื่อนที่คืออะไร?

การสำรวจไลดาร์เคลื่อนที่ติดเครื่องสแกนบนรถ รถเข็นราง เรือ หรือเป้สะพายหลัง และเก็บข้อมูลระหว่างเคลื่อนที่ GNSS, IMU หรือซอฟต์แวร์ SLAM ติดตามตำแหน่งเซนเซอร์ เหมาะกับถนน ทางรถไฟ และแนวโครงสร้างพื้นฐานยาว แต่ปกติต้องเพิ่มหมุดควบคุมเพื่อให้ได้ความแม่นยำระดับงานสำรวจ

การวัดความลึกน้ำด้วยไลดาร์คืออะไร?

การวัดความลึกน้ำด้วยไลดาร์ใช้แสงเลเซอร์สีเขียวซึ่งทะลุน้ำได้ดีกว่าอินฟราเรดใกล้ เพื่อวัดความลึกแม่น้ำ ทะเลสาบ และชายฝั่งตื้น ระยะความลึกขึ้นอยู่กับความใสของน้ำอย่างมาก น้ำใสวัดได้ลึกกว่าน้ำขุ่นมาก ไลดาร์ Topobathy รวมการทำแผนที่บกและน้ำในการบินเดียว

เครื่องสแกนไลดาร์เหมือนเครื่องสแกนเลเซอร์ 3 มิติหรือไม่?

ในทางปฏิบัติใช่ ทั้งสองวัดระยะด้วยแสงเลเซอร์และสร้างพอยต์คลาวด์ คำว่าเครื่องสแกนเลเซอร์ 3 มิติมักใช้กับเครื่องมือสำรวจบนขาตั้งและแบบมือถือ ส่วนไลดาร์ใช้บ่อยกว่ากับเซนเซอร์ทางอากาศ เคลื่อนที่ และยานยนต์ หลักการสแกนเลเซอร์ไลดาร์พื้นฐานเหมือนกัน