라이다의 종류와 동작방식

LiDAR는 고출력 레이저와 빛 에너지를 사용하여 거리를 측정하는 원격 감지 기술입니다.

이를 위해 LiDAR 계측기는 레이저로 물체를 조준하고 반사된 신호의 속도와 강도를 측정한 다음 이 데이터를 사용하여 두 지점 사이의 정확한 거리를 계산합니다. 이 포지셔닝 정보는 상세한 3D 모델을 만드는 데 사용됩니다.

 

LiDAR는 여러 산업 분야에서 사용되며 항공, 지상, 모바일 및 수중 응용 분야에 사용됩니다.

 

 

 

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1. LiDAR란?

LiDAR는 Light Detection and Ranging의 약자입니다. 고출력 레이저 및 기타 형태의 빛 에너지를 사용하여 멀리서 대상을 측정하는 3D 모델링을 지원하는 데이터 수집 유형입니다.

 

LiDAR의 뿌리는 1960년대 초로 거슬러 올라가는데, 그때 레이저가 처음 발명되고 레이저를 사용하는 스캐너가 비행기에 장착되었습니다. 당시에는 LiDAR라는 단어가 두문자어도 아니었고 "빛"과 "레이더"라는 단어의 빠른 조합이었습니다.

처음에 LiDAR는 주로 작은 강과 하천의 지도를 만드는 데 사용되었습니다. 그러나 1980년대에 GPS가 등장하면서 LiDAR는 대규모 지리 공간 데이터를 수집하고 지형도를 만드는 데 필수적인 도구가 되었습니다.

 

1980년대의 LiDAR 센서는 크고 투박하며 상당히 부정확했습니다. 그들은 또한 거의 독점적으로 대형 유인 비행기에 장착되었으며 작동은 수동이고 비용이 많이 들었으며 항상 좋은 투자 수익을 제공하는 것은 아니었습니다.

오늘날 LiDAR 기술은 그 어느 때보다 저렴하고 작으며 접근성이 높아 수십 개의 다양한 산업 및 분야에서 확산되고 있습니다. 실제로 최신 iPhone에는 최대 4.5미터(15피트) 거리에서 3D 모델을 생성할 수 있는 LiDAR 스캐너도 있습니다.

 

 

 

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2. LiDAR의 동작방식

비행기에 장착하든, 드론에 부착하든, 손바닥에 들고 있든 모든 LiDAR 시스템은 목표물에 정밀한 고출력 레이저를 발사하고 반사되는 펄스를 면밀히 측정하여 거리를 측정합니다.

 

LiDAR는 라디오나 음파를 사용하는 대신 빛을 사용한다는 점을 제외하고는 실제로 레이더 및 소나가 거리를 측정하는 방식과 매우 유사합니다. 빛이 전송된 방향, LiDAR 스캐너의 위치 및 두 지점 사이의 거리를 고려하여 LiDAR 페이로드는 신호가 반환되거나 반사되는 모든 지점의 정확한 3D 위치를 도출할 수 있습니다.

 

광선이나 레이저를 물체에서 튕겨내고, 반환된 신호를 수신하고, 공간에서의 절대 위치를 계산하는 전체 과정은 다음 공식을 사용하여 수학적으로 나타낼 수 있습니다.

 

d = c * t / 2

 

• d : 거리
• c : 빛의 속도
• t : 비행 시간

 

LiDAR 기기에는 세 가지 주요 구성 요소가 있습니다.

 

1) 레이저

레이저의 색상과 강도는 수집되는 데이터 유형에 따라 다르지만 모든 LiDAR 페이로드에는 고출력 레이저가 부착되어 있습니다. 이 레이저는 물체에 광선을 펄스로 내뿜으며, 나무, 바위, 건물 또는 지구 표면 자체와 같은 물체는 레이저를 다시 반사하여 수집합니다.

 

2) 스캐너

이러한 반사된 펄스는 정확하게 측정하기 위해 LiDAR 시스템에서 수신해야 하며 이는 스캐너(센서 또는 수신기라고도 함)의 역할입니다.

여기에서도 측정 대상에 따라 많은 차이가 있으며 LiDAR 스캐너에 사용되는 특정 유형의 렌즈 및 광학 장치는 페이로드마다 다릅니다. 빔 스플리터 또는 홀 미러는 리턴 신호를 수집하는 데 사용되는 두 가지 일반적인 장치입니다.

 

3) 글로벌 포지셔닝 시스템

LiDAR 시스템은 리턴 신호를 정확하게 측정하기 위해 자신의 위치를 정확히 알아야 하므로 거의 모든 LiDAR 시스템에는 센서의 절대 위치와 방향을 결정하는 데 도움이 되는 최첨단 포지셔닝 및 내비게이션 시스템이 있습니다.

배터리, 이미징 시스템, 데이터 수집기, 항공기 등을 포함하여 LiDAR 페이로드를 선택하거나 설계할 때 주의해야 할 다른 하드웨어 고려 사항이 있지만, 이러한 사항은 모두 특정 LiDAR 기기의 응용 분야에 따라 크게 달라집니다.

 

 

 

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3. LiDAR의 특징

LiDAR에는 여러 가지 이점이 있으며 거의 모든 경우에 LiDAR는 사진 측량과 같은 다른 3D 모델링 시스템보다 더 나은 대안입니다.

 

LiDAR는 정확하며 일부 시스템은 구름처럼 성투명하거나 개별 분자처럼 작은 물체를 표적으로 삼을 수 있습니다. 수십만 장의 사진을 찍어 하나의 모델로 합성하는 사진 측량은 LiDAR보다 데이터 집약적이며 정확도가 거의 없습니다.

LiDAR의 또 다른 이점은 저조도나 가시성이 거의 없는 영역에서 작동할 수 있다는 것입니다.

 

사진 측량 시스템은 광산이나 어두운 하늘과 같은 어두운 공간에서는 작동하지 않지만 LiDAR 기술은 적외선 레이저로 작동하기 때문에 이러한 환경에서 작동하는 데 문제가 없습니다.

 

오늘날 LiDAR를 사용하는 많은 산업이 안전 또는 응급 서비스와 관련되어 있기 때문에 다른 원격 감지 기술보다 LiDAR를 사용하는 주요 이점입니다. 이러한 경우 환경 상황에 관계없이 정확한 측정값을 캡처할 수 있는 능력은 생명을 구하고 민간인을 안전하게 보호하는 데 필수적일 수 있습니다.

 

LiDAR에는 다음과 같은 다른 이점도 있습니다.

• 많은 부분을 자동화할 수 있는 능력
• 다양한 소스에서 데이터를 수집할 수 있는 기능
• 기술 발전에 따라 점점 더 낮아지는 비용

 

 

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4. LiDAR의 종류

LiDAR 시스템 및 기기는 여러 매개변수에 따라 분류할 수 있습니다.

 

1) 레이저 유형

다양한 유형의 LiDAR 간의 주요 차이점 중 하나는 사용되는 레이저의 종류입니다. 다양한 강도와 범위를 가진 수백 가지의 레이저가 있지만 한 가지 주요 차별화 요소는 LiDAR 레이저가 지형도정치인지 수심 측량성인지 여부입니다.

• 지형 LiDAR는 보다 일반적인 유형으로, 근적외선 레이저를 사용하여 땅, 나무, 건물 등을 매핑합니다.
• 수심 측정 LiDAR는 물을 투과하는 녹색 빛을 사용하여 해저 깊이, 하천 높이, 강바닥 높이와 같은 항목을 측정합니다.

 

2) 방향

다양한 유형의 LiDAR 시스템을 분류할 수 있는 또 다른 방법은 방향, 즉 측정 대상과 관련하여 레이저와 센서의 위치가 어디인지에 따라 분류하는 것입니다.

• 천저 지향 :  LiDAR 고도계.
• 천정 지향 :  천정을 지향하는 일부 대기 LiDAR 기기.
• 측면 지향  : 측면 방향의 LiDAR 센서를 사용하는 많은 자율 주행 자동차.

방향은 LiDAR 기술 전체를 분류하는 데 유용한 방법이며, 기능이 매우 다른 LiDAR 시스템을 빠르게 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

3) 플랫폼

서로 다른 LiDAR 기기 간의 또 다른 유용한 차이점은 시스템이 배치되도록 설계된 플랫폼입니다. 즉, LiDAR 기술이 사용되는 분야에 따라 사용되는 기술, 캡처할 영역, 센서 범위 등에서 크게 달라집니다.

항공 LiDAR 시스템은 드론 기반 LiDAR, 헬리콥터 및 비행기 LiDAR, 우주 위성 LiDAR를 포함한 다양한 유형의 LiDAR로 더욱 세분화할 수 있습니다.

 

이러한 구분은 기술 자체의 기능이 아니라 페이로드를 처리하는 차량 유형에 따라 LiDAR 유형을 분류하기 때문에 유용합니다.

 

 

 

 

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5. LiDAR 응용

 

다음은 가장 일반적인 LiDAR 용도 및 응용분야입니다 .

 

1) 사고 현장

늦은 밤 주간 고속도로 교통 사고나 눈 덮인 시골 도로에서의 충돌 사고, LiDAR 시스템은 의료진이 도착하기도 전에 한 번에 엄청난 양의 시각적 세부 정보를 수집할 수 있으므로 응급 서비스는 상황을 평가하는 대신 생명을 구하는 데 즉시 집중할 수 있습니다.

 

LiDAR 기술로 수집한 지도, 모델 및 기타 데이터는 사고의 원인이나 결과를 파악하는 데 도움이 되는 중립적인 데이터 기반 기록으로 법정에서 사용할 수도 있습니다. 사고의 여파를 치우기 위해 일하는 위생 요원과 구조원도 이러한 모델의 이점을 얻을 수 있습니다.

 

2) 농업

LiDAR 기술은 농장의 모든 것을 추적하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 많은 작물을 수확할 수 있는 지역을 식별하거나, 제방의 위치를 결정하는 데 도움이 되도록 홍수 물을 측정하거나, 떠돌아다니는 소 떼를 추적하는 등 LiDAR와 농업은 매우 잘 어울립니다. 특정 LiDAR 설정은 농장에서 개별 곤충을 감지할 수도 있습니다.

 

3) 대기

대기 문제와 관련하여 LiDAR 스캐너, 특히 공중에서 작동하는 스캐너에는 여러 가지 이점과 사용 사례가 있습니다.

여기에는 오염 모델링, 구름 프로파일링, 기상학, 다양한 가스 및 분자의 밀도 및 분포 측정 지원이 포함됩니다.

 

4) 고고학

2017년, 특정 LiDAR 드론 센서가 얻은 데이터는 중앙 아메리카 정글 깊숙한 곳에 있는 광활한 땅인 엘 미라도르 강 유역의 거대한 도로 시스템을 식별하는 데 도움이 되었습니다.

이것은 LiDAR 스캐너가 고고학 발굴을 지원한 유일한 예는 아니지만, 기원전 600년 초에 마야인들이 사용했던 이 도로는 LiDAR의 접근 가능한 특성과 빽빽하고 넓은 나무 꼭대기 캐노피를 통해 데이터를 수집하는 기술의 고유한 능력이 없었다면 발견되지 않았을 것입니다.

 

5) 천원자원

미국의 많은 주에서는 국경 내의 천연 자원을 더 잘 유지하고 보존하기 위해 LiDAR 지원 기술을 사용하고 있습니다. LiDAR 드론과 LiDAR 스캐너는 숲의 높이에서 모래 언덕 밀도에 이르기까지 모든 것을 측정하는 데 사용되고 있지만 특히 물 절약에 유용합니다.

LiDAR 조사에서 얻은 범람원과 강 유역의 충실도가 높은 모델을 사용하여 주 및 지방 정부는 자연 재해에 더 잘 대비하고 연간 자원 사용량을 보다 정확하게 예측할 수 있습니다.

 

 

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6) 검사

LiDAR 페이로드가 장착된 드론 또는 무인 항공기는 인간 작업자가 접근할 수 없는 위험하거나 불가능한 영역에 진입할 수 있으며 이 기능은 검사 및 유지 관리 분야에서 큰 도움이 될 수 있습니다.

전력선 주변에서 자라는 초목의 양을 측정하는 것부터 건설 현장의 초기 조사를 수행하는 것까지, LiDAR 스캐너를 사용하는 장비는 수동 조사 또는 검사의 시간과 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

 

7) 보험

몇 분 만에 도시 지역의 광범위한 부분을 조사할 수 있는 기능은 보험 산업에서 가장 비용이 많이 들고 시간이 많이 소요되는 측면 중 하나인 청구 평가를 매우 효율적으로 만듭니다.

LiDAR 스캐너를 사용하여 홍수 피해를 평가하거나 토네이도의 경로를 더 잘 이해한다는 것은 전 세계 보험 회사가 반 피트 이내의 정확한 데이터를 기반으로 정확하고 저렴한 견적을 제공할 수 있음을 의미합니다.

 

8) 임업

LiDAR는 크고 빽빽한 숲 내에서 개별 나무의 높이와 위치를 측정하는 데 특히 뛰어나며, 나무 꼭대기 주변을 좁게 이동할 수 있는 기술의 능력은 지상에서 정보를 수집하는 데에도 적합합니다.

산림에 대한 전통적인 측량 방법은 비효율적이고 시간이 많이 걸리며 빛 없이는 사용이 거의 불가능합니다. 그러나 LiDAR가 장착된 기술을 통해 산림 관리원은 전례 없이 수 마일의 숲을 빠르고 정확하게 매핑할 수 있습니다. 이는 보존 노력과 종이, 시럽 및 가구 사업과 같이 전 세계의 산림에 의존하는 산업 모두에 영향을 미칩니다.

 

9) 군

세기가 바뀐 이래로 전 세계 경찰서는 실제로 지나가는 자동차의 속도를 더 잘 측정하기 위해 정확하고 정밀한 기술을 사용하여 레이더 총을 LiDAR 총으로 교환해 왔습니다.

그러나 법 집행에서 LiDAR를 사용하는 것은 과속 딱지를 제거하는 것 이상입니다. 장교와 군인 모두 LiDAR 센서를 사용하여 다른 전투원에 대해 알아보고, 적의 지역을 조사하거나, 인질 상황에 대한 조감도를 얻을 수 있습니다.

 

10) 광산업

광산업 및 지질학 분야에서 LiDAR 기술은 계획된 폭발 후 안전성을 평가하고, 광석의 양과 광석 추출 공간을 측정하고, 다양한 종류의 단층선을 감지 및 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

 

11) 운송

운송 산업의 LiDAR 스캐너는 주차 공간 및 철도 노선 계획부터 교통 혼잡으로 인한 즉석 경로 조정에 이르기까지 프로세스의 모든 단계에서 도움이 될 수 있습니다.

 

12) 자율 주행 자동차

자율 주행 차량은 측면 LiDAR 시스템을 사용하여 장애물 감지 및 충돌 감지를 지원합니다. 특정 유형의 LiDAR 시스템은 크루즈 컨트롤, 내비게이션 및 주차에도 도움이 될 수 있습니다.

 

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