เทคโนโลยี LiDAR คืออะไร ? ทำงานอย่างไร ? มีกี่ประเภท ?

เทคโนโลยี LiDAR คืออะไร ?

ช่วงไม่กี่ปีมานี้ เรามักได้ยินคำว่า LiDAR กันอยู่บ่อยครั้ง หลายคนอาจรู้จักมันเป็นครั้งแรก ตอนที่ Apple หยิบมันมาใส่ใน iPhone 12 Pro หรือในหุ่นยนต์ดูดฝุ่น และรถยนต์ ในรุ่นที่อยู่ระดับกลาง หรือไฮเอนด์ ก็สามารถพบเห็นการใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยี LiDAR ได้เช่นกัน

แล้ว LiDAR มีประโยชน์อะไรบ้าง ? มันทำงานอย่างไร ? มาทำความรู้จักกับเทคโนโลยีนี้ให้มากขึ้นกันเลย ...

เทคโนโลยี LiDAR คืออะไร ? (What is LiDAR Technology ?)

คำว่า "ไลดาร์ (LiDAR)" หรืออาจเขียนในชื่อที่แตกต่างกันได้ว่า "Lidar, LIDAR หรือ LADAR" ก็สุดแท้แต่ นั้นย่อมาจากคำว่า "Light Detection and Ranging" ซึ่งแปลว่า "การตรวจจับ และวัดระยะด้วยแสง" เป็นเทคโนโลยีสำรวจระยะไกลด้วยแสงเลเซอร์แบบ Pulse Wave โดยข้อมูลแสงที่เก็บค่ามาได้ เมื่อรวมกับข้อมูลอื่น ๆ ก็จะสามารถนำมาสร้างแผนที่ 3 มิติ ของวัตถุ หรือพื้นที่ได้อย่างแม่นยำ

กล่าวได้ว่า โดยพื้นฐานแล้ว LiDAR ก็คือเทคโนโลยีที่ใช้เลเซอร์ในการวัดระยะห่างนั่นเอง ซึ่งในการทำงานของ LiDAR อาจเกิดขึ้นเพียงแค่ทิศทางเดียว หรือสแกนหลายทิศทางพร้อมกันก็ได้ โดยอย่างหลังจะเรียกว่า LiDAR Scanning หรือ 3D Laser Scanning

เทคโนโลยี LiDAR สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย การใช้งานที่แพร่หลายมากที่สุดก็อย่างการทำแผนที่ความละเอียดสูง, การสำรวจทางธรณีวิทยา, โบราณคดี, ภูมิศาสตร์, แผ่นดินไหววิทยา, ป่าไม้, ระบบนำทาง ฯลฯ เพื่อนำข้อมูลที่ได้มาสร้างแผนที่ 3 มิติ และที่กำลังได้รับความนิยมในปัจจุบันนี้คือ การเอา LiDAR มาช่วยในการควบคุม และนำทางในระบบขับขี่อัตโนมัติภายในรถยนต์

ภาพจาก : https://enterprise-insights.dji.com/blog/lidar-equipped-uavs

ทำไมต้องใช้ เทคโนโลยี LiDAR ? (Why do we have to use LiDAR Technology ?)

บ่อยครั้งที่นักวิทยาศาสตร์ มักจะต้องสำรวจลักษณะพืชพรรณที่มีอยู่ภายในพื้นที่ป่าขนาดใหญ่ เพื่อหาข้อมูลมาทำการวิจัย หรือจะเป็นการทำแผนที่ 3 มิติ (3D Map) ภายในเมืองที่มีตึก และอาคารจำนวนมาก การที่เราจะลงมือวัดต้นไม้ทีละต้น, หญ้าทีละพุ่ม หรือบ้านแต่ละหลัง มันเป็นงานที่สิ้นเปลืองทรัพยากรอย่างมหาศาล แถมยังเสียเวลาเป็นอย่างมาก

Remote Sensing คือ เทคนิคที่ช่วยให้เราไม่จำเป็นต้องลงมือวัดข้อมูลด้วยตัวเอง ด้วยการอาศัยเซนเซอร์ในการเก็บบันทึกตรวจจับข้อมูลภายในพื้นที่ มันช่วยประหยัดเวลา และทรัพยากรในการทำงานเป็นอย่างมาก

LiDAR หรือที่บางครั้งก็ถูกเรียกว่า Laser Scanning เป็นหนึ่งใน Remote Sensing ที่สามารถเก็บข้อมูลอย่างความสูงของต้นไม้, ความหนาแน่น, สภาพพื้นผิว, รูปแบบอาคารต่าง ๆ แล้วนำข้อมูลที่ได้มาสร้างแบบจำลอง 3 มิติ ได้อย่างแม่นยำ ทำให้มันมีประโยชน์ต่องานสำรวจภูมิประเทศเป็นอย่างมาก

ภาพจาก : https://enterprise-insights.dji.com/blog/lidar-equipped-uavs

เทคโนโลยี LiDAR ทำงานอย่างไร ? (How does LiDAR Technology work ?)

สำหรับ LiDAR นั้น จัดว่าเป็นเทคโนโลยีที่มีหลักการทำงานเหมือนกับ RADAR (เรดาห์) เพียงแต่ว่าใช้แสงเลเซอร์แทนคลื่นวิทยุ

โดย LiDAR จัดเป็นระบบ Remote Senssing แบบ Active โดยระบบแบบ Active นั้นหมายความว่าตัวระบบจะสร้างพลังงานขึ้นมาด้วยตัวเอง สำหรับในกรณีนี้ก็คือพลังงานแสงนั่นเอง โดยระบบ LiDAR แสงที่จะใช้จะเป็นแสงเลเซอร์ที่ถูกยิงแบบกะพริบด้วยความถี่สูง เมื่อแสงเดินทางไปตกกระทบกับอะไรก็ตาม อาจจะเป็นตึก หรือกิ่งไม้ แสงจะถูกสะท้อนกลับมายังเซนเซอร์ของ LiDAR เพื่อเก็บข้อมูลเวลาที่แสงใช้ในการเดินทางไป และกลับ เพื่อนำมาคำนวณหาระยะห่าง

ภาพจาก : https://www.edge-ai-vision.com/2024/02/understanding-the-basics-of-3d-lidar-technology/

จะเห็นได้ว่า หลักการทำงานของ LiDAR นั้นมีความเรียบง่าย โดยมันมีลำดับการทำงานดังต่อไปนี้

1. ยิงแสงเลเซอร์แบบ Pulse Wave ให้ตกไปยังพื้นผิว
2. ใช้เซนเซอร์ตรวจจับแสงเลเซอร์ที่สะท้อนกลับมายังแหล่งกำเนิดแสง
3. วัดระยะเวลาที่แสงเลเซอร์ใช้ในการเดินทางไป-กลับ
4. คำนวณระยะทางระหว่างจุดที่แสงตกกระทบ กับแหล่งกำเนิดแสง ด้วยสมการ "ระยะทาง = ความเร็วแสง x ระยะเวลาไปกลับ/2"

ขั้นตอนดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นจำนวนหลายล้านครั้ง เมื่อเก็บข้อมูลได้มากพอ ก็จะสามารถสร้างเป็นแบบจำลอง 3 มิติ ที่เรียกว่า "3D Point Cloud" ขึ้นมาได้

ภาพจาก : https://towardsdatascience.com/the-future-of-3d-point-clouds-a-new-perspective-125b35b558b9

Point Cloud Data คืออะไร ?

เมื่อสักครู่ เราได้กล่าวถึง "3D Point Cloud" ไป มันเป็นหนึ่งในสิ่งสำคัญของ LiDAR ดังนั้น เราจะขออนุญาตขยายความเกี่ยวกับมันสักเล็กน้อย

Point Cloud คือ จุดจำนวนมาก (ส่วนใหญ่อยู่ที่หลักล้าน) ที่ตัว LiDAR ได้สแกน และบันทึกค่าเก็บไว้ จุดเหล่านี้จะบอกตำแหน่งของพื้นผิวที่เก็บค่ามาได้ เมื่อ LiDAR สแกนพื้นผิวได้ครบทุกด้านแล้ว จะได้ข้อมูลเชิง 3 มิติ ตำแหน่งแกน XYZ เมื่อเอาข้อมูลจุดทั้งหมดมารวมกัน ก็จะจำลองโมเดล 3 มิติ ขึ้นมาได้

ภาพจาก : https://en.wikipedia.org/wiki/Point_cloud

องค์ประกอบที่สำคัญของระบบ LiDAR (Components of LiDAR System)

แม้เราจะบอกว่าหลักการทำงานของ LiDAR นั้นเรียบง่าย แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเทคโนโลยีที่มันใช้จะไม่ซับซ้อน ลองคิดว่ามีข้อมูลค่าการเดินทางของแสงจำนวนมากที่ต้องเก็บ อย่าลืมว่าแสงเลเซอร์นั้นมีความเร็วสูงถึงประมาณ ~300,000 กิโลเมตร / วินาที ซึ่งนั่นไม่ใช่เรื่องง่ายอย่างแน่นอน

ระบบ LiDAR จะมีส่วนประกอบขั้นพื้นฐานอยู่ 3 ส่วนหลัก ๆ ดังต่อไปนี้

Laser Scanner

อย่างที่เราได้อธิบายไปแล้วว่า ระบบ LiDAR จะต้องยิงแสงเลเซอร์ออกมา ซึ่งตัว Laser Scanner ก็มักจะถูกติดตั้งกับอุปกรณ์เคลื่อนที่ หรือยานพาหนะ เช่น โดรน, เครื่องบิน, รถยนต์ หรือในสมาร์ทโฟน ขึ้นอยู่กับรูปแบบของการใช้งาน ตัว Laser Scanner เองก็มีหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับจำนวนจุด และทิศทางที่ต้องการเก็บข้อมูล

Navigation และ Positioning Systems

ไม่ว่าเราจะติดตั้งเซนเซอร์ LiDAR ไว้กับอะไรก็ตาม ข้อมูลตำแหน่ง และทิศทางของเซนเซอร์มีความสำคัญมาก เพื่อให้ข้อมูลที่เก็บมาในขณะที่มีการเคลื่อนที่สามารถนำมาใช้งานได้ การทำงานของมันจึงต้องร่วมกับระบบดาวเทียมระบุพิกัด (Global Navigation Satellite Systems - GNSS) ที่สามารถเก็บข้อมูลตำแหน่งทั้งละติจูด, ลองจิจูด และระดับความสูงของเซนเซอร์ได้อย่างแม่นยำ และเครื่องวัดความเฉื่อย (Inertial Measurements Unit - IMU) สองอุปกรณ์นี้จะทำงานร่วมกันเพื่อบันทึกข้อมูลตำแหน่งได้อย่างละเอียดแม่นยำ ซึ่งเป็นพื้นฐานที่จำเป็นต่อการทำแผนที่ 3D Point Cloud

Computing Technology

ในการใช้ประโยชน์จากข้อมูลที่เก็บมาให้ได้มากที่สุด จำเป็นจะต้องนำข้อมูลที่ได้มาผ่านการคำนวณ เพื่อให้ได้ค่า Echo Position ที่แม่นยำ ซึ่งจำเป็นต่อการแสดง Data Visualization ในขณะที่กำลังเก็บข้อมูลอยู่ แถมยังช่วยเพิ่มความแม่นยำในการสร้าง 3D Point Cloud ด้วย

ประเภทของ เทคโนโลยี LiDAR (Types of LiDAR Technology)

โดยพื้นฐานแล้ว LiDAR จะมีการแบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ คือ Airborne (ทางอากาศ) และ Terrestrial (ภาคพื้นดิน)

Airborne LiDAR

Airborne LiDAR เป็นระบบที่นิยมติดตั้งที่ปีกเครื่องบิน, เฮลิคอปเตอร์ หรือปัจจุบันนี้ก็เริ่มหันมาใช้ในโดรนกันแล้ว โดย Airborne LiDAR ยังมีการแบ่งย่อยได้อีก 2 ชนิด คือ

Topographic LiDAR

ใช้ในการสร้างแบบสำรวจพื้นผิว เพื่อนำไปต่อยอดในงานหลายประเภท อย่างเช่น งานสำรวจป่าไม้, ธรณีสัณฐานวิทยา, การวางผังเมือง, นิเวศวิทยาภูมิทัศน์, วิศวกรรมชายฝั่ง ฯลฯ

ภาพจาก : https://www.geoilenergy.com/en/servicios/geoespaciales/eagle-mapping

Bathymetric LiDAR

เป็นระบบ LiDAR ที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อสำรวจพื้นที่ใต้ผิวน้ำ โดยตัวระบบจะเพิ่มแสงเลเซอร์สีเขียวที่มีคุณสมบัติในการเดินทางทะลุลงไปใต้ผิวน้ำได้เข้ามา เพื่อเก็บข้อมูลความลึก และสำรวจชายฝั่ง

ภาพจาก : https://www.hydro-international.com/content/article/technology-in-focus-bathymetric-lidar

Terrestrial LiDAR

สำหรับ LiDAR บนภาคพื้นดิน ก็จะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด เช่นกัน ประกอบไปด้วยแบบ Mobile (เคลื่อนที่) และ Static (อยู่กับที่)

Mobile LiDAR

เป็น LiDAR ที่ติดตั้งบนพาหนะที่เคลื่อนที่ได้ หรือในสมาร์ทโฟนก็จัดว่าอยู่ในหมวดหมู่นี้ด้วยเช่นกัน อาจจะติดตั้งบนรถไฟ, รถยนต์ หรือแม้แต่เรือ องค์ประกอบหลักของ Mobile LiDAR จะประกอบไปด้วย LiDAR Sensor, กล้อง, GPS และ Inertial Navigation System (INS) ไม่แตกต่างไปจาก Airborne LiDAR

นิยมใช้ในงานสำรวจเส้นทางโครงสร้างของถนน, สายไฟฟ้า, เสาไฟฟ้า, ป้ายจราจรที่กีดขวางการจราจร, รางรถไฟ ฯลฯ

Static LiDAR

เป็น LiDAR ชนิดที่ใช้งานแบบอยู่กับที่ ตามปกติแล้วจะมีขนาดเล็ก สามารถพกพาง่าย เวลาจะใช้งานก็นำยึดกับขาตั้ง นิยมใช้งานโดยทั่วไปในงานอาคารทั้งภายใน และภายนอก รวมไปถึงพวกงานวิศวกรรมต่าง, ขุดเหมือง, โบราณคดี, งานสำรวจต่าง ๆ ฯลฯ

ประวัติความเป็นมาของ เทคโนโลยี LiDAR (History of LiDAR Technology)

ในปี ค.ศ. 1956 (พ.ศ. 2499) Malcolm L. Stitch นักฟิสิกส์ฝีมือฉกาจได้เข้าร่วมงานกับบริษัท Hughes Aircraft Company ซึ่งเป็นบริษัทการบินที่ได้สัมปทานกับทางกองทัพของประเทศสหรัฐอเมริกา

ช่วงเวลานั้น เทคโนโลยีเลเซอร์เพิ่งจะถูกคิดค้นขึ้นมา ทางตัว Malcolm L. Stitch ได้อาศัยประโยชน์จากแสงเลเซอร์มาสร้างระบบที่คล้ายคลึงกับ LiDAR ขึ้นมา โดยมันถูกเรียกว่า "Colidar" ซึ่งย่อมาจาก "Coherent Light Detecting And Ranging" (การตรวจจับ และกำหนดระยะแสงที่สอดคล้องกัน) ที่ล้อเลียนมาจากระบบ Radar (Radio Detection And Ranging) 

เดิมที Colidar ถูกออกแบบมาเพื่อตรวจหาตำแหน่งของดาวเทียม ด้วยการใช้แสงเลเซอร์ในการคำนวณระยะห่างจากช่วงเวลาที่แสงเดินทางไปกลับ

ต่อมาในปี ค.ศ. 1963 (พ.ศ. 2506)ได้ต่อยอดเป็น "Colidar Mark II" มันเป็น Terrestrial LiDAR ที่หน้าตาเหมือนปืนไรเฟิล มีความสามารถในการตรวจจับไกลถึง 11 กิโลเมตร โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ +- 4.5 เมตร เท่านั้น

ภาพจาก : https://repository.aip.org/islandora/object/nbla:288983

ต่อมาเทคโนโลยีนี้ได้ถูกทางศูนย์วิจัยบรรยากาศแห่งชาติ (National Center for Atmospheric Research) นำมาใช้ในการสำรวจทางอุตุนิยมวิทยาอย่างการสำรวจปริมาณเมฆ และมลพิษบนท้องฟ้า ซึ่งมันได้ผลดีเยี่ยมจนทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์รู้ว่าระบบนี้มันมีความแม่นยำสูง และสามารถต่อยอดใช้ประโยชน์ได้อีกหลายด้าน

ในปี ค.ศ. 1971 (พ.ศ. 2514) ภารกิจสำรวจดวงจันทร์ของยานอวกาศอพอลโล 15 นักบินอวกาศได้ใช้ แสงเลเซอร์ในการสร้างแบบจำลองแผนที่ของดวงจันทร์ และนั่นก็เป็นช่วงเวลาที่เทคโนโลยีดังกล่าวถูกเรียกว่า Lidar ซึ่งในตอนนั้นมีการเรียกอยู่หลายแบบมาก ทั้ง LIDAR, LiDAR, LIDaR หรือ Lidar ซึ่งมีหลักฐานบันทึกเอาไว้ว่าทางนิตยสาร New York Times ได้แจ้งให้นักเขียนในสังกัดใช้คำว่า "lidar" ส่วนรอยเตอร์เลือกใช้คำว่า "Lidar"

ส่วนในปัจจุบัน LiDAR น่าจะเป็นรูปแบบการเขียนที่เป็นที่ยอมรับกันมากที่สุด

ข้อดี-ข้อเสียของ เทคโนโลยี LiDAR (LiDAR Technology Pros and Cons)