ถ้าจะพูดถึง การสำรวจระยะไกล (Remote Sensing) ในแง่การสำรวจพื้นผิวโลก ปัจจุบันนี้มีข้อมูลหลากหลายที่ถูกนำมาใช้ช่วยในการสำรวจ ซึ่งข้อมูลแต่ละแบบก็มีข้อดี-ข้อด้อย แตกต่างกัน 1) ภาพถ่ายดาวเทียม (Satellite Image) เอาแบบเบสิคๆ ก็อย่างที่เราเห็น เราเล่นในโปรแกรม Google Earth หรือ Google Maps ซึ่งจุดเด่นที่เห็นได้ชัดที่สุด ก็คือเราสามารถซูมเข้าไปสำรวจให้เห็นหลังคาบ้านสีสันสดใสเป็นหลังๆ เห็นรถเป็นคันๆ ส่วน 2) ภาพถ่ายทางอากาศ (Areal Photo) ถึงแม้ว่าชุดข้อมูลภาพถ่ายทางอากาศของประเทศไทย ซึ่งจัดทำโดย กรมแผนที่ทหาร จะเป็นภาพขาว-ดำ แต่ข้อเด่นที่ทำให้ ภาพถ่ายทางอากาศไม่มีวันตาย ในงานสำรวจ ก็คือเป็นชุดข้อมูลหรือชุดภาพที่สามารถย้อนกลับไปในอดีตได้ไกลที่สุด (บ้านเรา มีการจัดทำภาพถ่ายทางอากาศชุดแรกเมื่อปี พ.ศ. 2493) ซึ่งย้อนกลับไปได้มากกว่าภาพถ่ายดาวเทียมอย่าง Google Earth ที่ย้อนกลับไปได้ไม่เกิน พ.ศ. 2526 นี่จึงเป็นข้อดีของภาพถ่ายทางอากาศที่สามารถย้อนกลับไปให้เห็นสภาพพื้นที่ตั้งต้น ที่ยังไม่ถูกรบกวนมากนักจากกิจกรรมมนุษย์ ตัวอย่างเช่น งานสำรวจทางโบราณคดี ซึ่งในหลายพื้นที่ ภาพถ่ายปัจจุบันมองไม่เห็นร่องรอยโครงสร้างโบราณสถาณแล้ว เนื่องจากถูกรบกวนจากกิจกรรมของคนในปัจจุบัน แต่หากใช้ภาพถ่ายทางอากาศซึ่งย้อนกลับไปในปีเก่าๆ เช่น ปี พ.ศ. 2493 จะพบว่ามีหลายพื้นที่ ที่ยังคงมีร่องรอยของโบราณสถาณอยู่

ไลดาร์ (Light Detection and Ranging, LiDAR)  หรือ การตรวจจับและกำหนดระยะด้วยแสง เป็นหนึ่งในเทคโนโลยี การสำรวจระยะไกล (remote sensing) ที่ใช้แสงเลเซอร์ในการวัดระยะทางไปยังพื้นผิวของโลกหรือวัตถุต่างๆ โดยสร้างข้อมูลแบบ 3 มิติ ที่มีความละเอียดสูง ซึ่งปัจจุบัน LiDAR ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในสาขาวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม โบราณคดี การวางผังเมือง และป่าไม้ เนื่องจากสามารถจับภาพภูมิประเทศและคุณสมบัติเชิงโครงสร้างได้อย่างละเอียดยิบ ซึ่งในบทความนี้ ผู้เขียนตั้งใจที่จะอธิบายถึงทฤษฎี วิธีการ และการประยุกต์ใช้ LiDAR โดยแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้ ได้เปลี่ยนโลกแห่งการสำรวจภูมิประเทศได้อย่างไร

ทฤษฎี

พื้นฐานของเทคโนโลยี LiDAR ทำงานโดยอาศัยหลักการตรวจวัด “เวลา” ที่ “แสงเลเซอร์” ใช้ในการเดินทางจากแหล่งกำเนิดไปยังเป้าหมาย (พื้นผิววัตถุหรือภูมิประเทศ) และสะท้อนกลับมาที่อุปกรณ์รับสัญญาณ ซึ่งจากความเร็วของแสงเลเซอร์ที่เรารู้ค่าอยู่แล้ว เมื่อนำมายำร่วมกับเวลาการเดินทางของแสงเลเซอร์ จะสามารถ 1) คำนวณระยะห่างห่างจากวัตถุหรือภูมิประเทศได้อย่างละเอียด แม่นยำ และ 2) เก็บข้อมูลจำนวนมากในระยะเวลาอันสั้น โดยระบบ LiDAR จะประกอบไปด้วยเลเซอร์ที่ปล่อยพัลส์แสงสั้น ๆ เวลาเดินทาง (Time of Flight หรือ TOF) ถูกบันทึกเป็นระยะเวลาที่ใช้ในการเดินทางไปถึงเป้าหมายและกลับมาที่ อุปกรณ์รับสัญญาณ จากนั้นจึงนำค่าเวลามาแปลงเป็นระยะทางหรือระยะห่างจากเครื่องตรวจวัดและสร้างเป็นแผนภาพ 3 มิติได้

ลีลาวัด

ในมิติของรูปแบบการเข้าถึงตัวละครหรือวัตถุที่ต้องการตรวจวัดที่แตกต่างกัน LiDAR มีรูปแบบการตรวจวัดอยู่ 3 ประเภท ได้แก่

1) Airborne LiDAR ติดตั้งบนเครื่องบินหรือโดรน ใช้สำหรับการสำรวจพื้นที่ขนาดใหญ่ เช่น การสร้างแผนที่ภูมิประเทศ

2) Terrestrial LiDAR ติดตั้งบนยานพาหนะหรือขาตั้ง ใช้สำหรับการสำรวจบนพื้นดิน โดยเฉพาะโครงสร้าง อาคาร หรือพืชพรรณ

3) Bathymetric LiDAR ใช้ เลเซอร์แสงสีเขียว เพื่อทะลุผ่านน้ำ ทำแผนที่ภูมิประเทศใต้น้ำ

ส่วนประกอบ

1. แหล่งกำเนิดเลเซอร์ ปล่อยพัลส์เลเซอร์ไปยังเป้าหมาย
2. ตัวสแกนและเลนส์ กำหนดทิศทางของพัลส์เลเซอร์และรวบรวมแสงที่สะท้อนกลับ
3. GPS และ IMU ให้ข้อมูลตำแหน่งและการวางทิศทางที่แม่นยำสำหรับการทำแผนที่ข้อมูล LiDAR
4. จุดกลุ่มข้อมูล (Point Clouds) คือ ชุดข้อมูลของจุดที่ระบบ LiDAR สร้างขึ้น โดยแต่ละจุดเป็นการวัดระยะทาง ซึ่งแสดงในรูปแบบ 3 มิติ ด้วยพิกัด (x, y, z) ที่สอดคล้องกับพื้นผิวโลกหรือวัตถุต่างๆ

การทำงาน

ความแม่นยำของ LiDAR ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความยาวคลื่นของเลเซอร์ คุณภาพของข้อมูล GPS การสะท้อนแสงของเป้าหมาย และสภาพบรรยากาศ ระบบ LiDAR มักใช้เลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นในช่วงใกล้อินฟราเรด ในขณะที่การใช้งานเฉพาะ เช่น การทำแผนที่ใต้น้ำจะใช้เลเซอร์สีเขียว

1) สัญญาณสะท้อนและการสะท้อนหลายครั้ง พัลส์ของ LiDAR อาจสะท้อนจากหลายพื้นผิว (เช่น ยอดไม้ ชั้นพุ่ม และพื้นดิน) การสะท้อนครั้งแรกมักบ่งบอกถึงจุดสูงสุด ส่วนการสะท้อนครั้งต่อมาให้ข้อมูลเกี่ยวกับชั้นที่ต่ำกว่า

2) ค่าความเข้มแสง (Intensity Values) ค่าความเข้มที่ระบบ LiDAR บันทึกสะท้อนถึงการสะท้อนของพื้นผิว ข้อมูลนี้ช่วยในการจำแนกวัสดุบนพื้นผิว

ข้อดี

LiDAR มีข้อได้เปรียบหลายข้อ เมื่อเทียบกับเทคนิคการสำรวจพื้นผิวโลกแบบดั้งเดิม เช่น 1) ความแม่นยำและความละเอียดสูง LiDAR ให้ ความแม่นยำระดับเซนติเมตร ทำให้เหมาะสำหรับการสร้างแผนที่ที่มีรายละเอียด 2) ความสามารถในการเจาะพืชพรรณ LiDAR สามารถจับภาพในหลายระดับ ทำให้ สามารถสร้างแผนที่ พื้นที่ที่มีพืชพรรณหนาแน่น และมองเห็นระดับพื้นดินใต้พืชพรรณได้ และ 3) การทำงานได้ทุกสภาพแสง LiDAR ไม่ได้รับผลกระทบจากแสงสว่างรอบข้าง ทำให้สามารถ ทำงานได้ทั้งกลางวันและกลางคืน แม้จะมีข้อจำกัดในสภาพอากาศบางอย่าง เช่น ฝนตกหนัก

วิธีเก็บข้อมูล

กระบวนการเก็บข้อมูล LiDAR ขึ้นอยู่กับขอบเขตของพื้นที่ และความต้องการความละเอียดของข้อมูล

1) การวางแผนสำรวจล่วงหน้า ก่อนการเก็บข้อมูล นักสำรวจต้องวางแผนเส้นทางการบิน ความสูง และความละเอียดตามความต้องการของข้อมูลและลักษณะพื้นที่ เช่น ในพื้นที่ป่าหนาทึบ อาจต้องใช้ความสูงของการบินต่ำและความเร็วช้าลงเพื่อให้ได้จุดข้อมูลเพียงพอ

2) พารามิเตอร์การบิน สำหรับ LiDAR ทางอากาศ ความเร็วและความสูงของเครื่องบินจะกำหนดความละเอียดของข้อมูล ความสูงที่ต่ำให้ความละเอียดสูงกว่า แต่ครอบคลุมพื้นที่น้อยกว่า ในขณะที่ความสูงที่สูงจะครอบคลุมพื้นที่กว้างขึ้นแต่ความละเอียดต่ำลง

3) การสอบเทียบและการตั้งค่า การสอบเทียบที่ถูกต้องของระบบ LiDAR และการจับคู่กับ GPS และ IMU เป็นสิ่งสำคัญเพื่อความแม่นยำของข้อมูล

ประมวลผล + สร้างภาพ

การประมวลผลข้อมูล LiDAR ประกอบด้วยหลายขั้นตอน ตั้งแต่การทำความสะอาดข้อมูลขั้นต้นไปจนถึงการสร้างโมเดล 3 มิติ และการสร้างภาพ

1) การสร้างกลุ่มจุด (Point Cloud Generation) ข้อมูล LiDAR ดิบจะถูกประมวลผลเป็นกลุ่มจุด ซึ่งเป็นคอลเลกชันของจุดที่มีพิกัด (x, y, z) หลายล้านจุด กลุ่มจุดนี้ต้องถูกกรองเพื่อลดจุดที่มีความผิดพลาดหรือไม่ถูกต้อง

2) การลดสัญญาณงรบกวนและการกรอง เทคนิคการลดสัญญาณรบกวนจะถูกนำมาใช้เพื่อลบจุดที่ผิดพลาดที่เกิดจากสภาพบรรยากาศหรือข้อผิดพลาดของเซ็นเซอร์ การกรองข้อมูล เช่น การลบจุดที่อยู่นอกระยะจะช่วยปรับปรุงคุณภาพของข้อมูล

3) การจำแนกจุดข้อมูล ข้อมูลกลุ่มจุดจะถูกจำแนกตามลักษณะการสะท้อน โดยสามารถระบุได้ว่าเป็นพื้นดิน พืชพรรณ อาคาร หรือแหล่งน้ำ การจำแนกช่วยในการสร้างโมเดลภูมิประเทศหรือวัตถุเฉพาะ

4) การสร้างโมเดลดิจิทัล ประกอบด้วย 1) โมเดลภูมิประเทศดิจิทัล (DTM, Digital Terrain Model) แสดงพื้นผิวของโลกโดยลบพืชพรรณและสิ่งก่อสร้าง และ 2) โมเดลพื้นผิวดิจิทัล (DSM, Digital Surface Model) รวมคุณสมบัติทั้งหมดบนพื้นผิวโลก เช่น ต้นไม้ อาคาร และโครงสร้างต่างๆ 3) โมเดลความสูงพุ่มไม้ (CHM, Canopy Height Model) แสดงความสูงของพืชพรรณ โดยคำนวณจากความแตกต่างระหว่าง DSM และ DTM ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการศึกษาเกี่ยวกับป่าไม้และพืชพรรณ

5) การสร้างภาพและการวิเคราะห์ ข้อมูล LiDAR ที่ผ่านการประมวลผลมักถูกแสดงผลในซอฟต์แวร์ที่ช่วยให้สามารถจัดการ วิเคราะห์ และตีความได้ ซอฟต์แวร์ที่นิยมใช้ ได้แก่ ArcGIS หรือ QGIS และ CloudCompare ซึ่งใช้ในการวิเคราะห์ภูมิประเทศและการแยกคุณลักษณะ

6) การประเมินความแม่นยำและการตรวจสอบ การตรวจสอบหลังการประมวลผลจะช่วยให้มั่นใจว่าข้อมูล LiDAR มีความแม่นยำตามมาตรฐานที่ต้องการ การตรวจสอบภาคสนามโดยใช้จุดจริงที่เก็บด้วย GPS ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบความแม่นยำของข้อมูล LiDAR ได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง สำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การวางแผนโครงสร้างพื้นฐานและการเฝ้าระวังสิ่งแวดล้อม

LiDAR เล่นกับอะไรได้บ้าง

เทคโนโลยี LiDAR มีการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในหลากหลายสาขา โดยเปลี่ยนแปลงวิธีการเก็บข้อมูลและการวิเคราะห์

1) การศึกษาเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อมและนิเวศวิทยา

• การวิเคราะห์ป่าไม้และพืชพรรณ LiDAR สามารถทำแผนที่ความสูงของต้นไม้ โครงสร้างพุ่มไม้ และปริมาณชีวมวล โดยการสร้าง โมเดลความสูงพุ่มไม้ (CHM) นักวิจัยสามารถประเมินความหนาแน่นของต้นไม้และตรวจสอบสุขภาพป่าได้
• การทำแผนที่ที่อยู่อาศัย LiDAR ช่วยในการจำแนกและทำแผนที่ที่อยู่อาศัย โดยเฉพาะในพื้นที่ที่การเข้าถึงยาก โมเดลภูมิประเทศที่ละเอียดทำให้นักวิจัยสามารถศึกษาการกระจายตัวของที่อยู่อาศัยและการเปลี่ยนแปลงของที่อยู่อาศัยได้
• การจัดการพื้นที่ชายฝั่งทะเล LiDAR ใช้ในการทำแผนที่พื้นที่ชายฝั่ง การติดตามการเปลี่ยนแปลงของชายฝั่ง และการเฝ้าระวังการกัดเซาะ Bathymetric LiDAR มีบทบาทสำคัญในการสำรวจภูมิประเทศใต้น้ำ ช่วยในการปกป้องและวางแผนการอนุรักษ์

เพิ่มเติม : ธรณีวิทยาโบราณคดี เมืองโบราณอู่ทอง

2) การวางแผนเมืองและโครงสร้างพื้นฐาน

• การสร้างแบบจำลองเมืองสามมิติ LiDAR ให้ข้อมูลที่แม่นยำสำหรับการสร้างแบบจำลองสามมิติของเมือง เช่น อาคาร ถนน และโครงสร้างพื้นฐานต่างๆ โมเดลเหล่านี้มีความสำคัญสำหรับการวางแผนเมือง การออกแบบสถาปัตยกรรม และการประเมินความเสี่ยง
• การวางแผนการขนส่ง LiDAR ช่วยในการทำแผนที่เครือข่ายการขนส่ง ปรับการออกแบบเส้นทางถนนและทางรถไฟ และระบุพื้นที่ที่เสี่ยงต่อการเกิดดินถล่มหรืออุทกภัย
• การทำแผนที่สายไฟและการจัดการสาธารณูปโภค LiDAR ใช้ในการทำแผนที่สายไฟ ตรวจสอบการบุกรุกของพืชพรรณ และระบุความเสี่ยงที่อาจเกิดขึ้นจากสาธารณูปโภค

3) โบราณคดี

• การค้นพบโครงสร้างโบราณ LiDAR สามารถเผยให้เห็นคุณลักษณะทางโบราณคดีที่ฝังหรือซ่อนอยู่ เช่น อาคารโบราณ เส้นทาง และแปลงเกษตร โดยเฉพาะในป่าหนาทึบ เช่น การสำรวจอารยธรรมมายาในอเมริกากลาง
• การอนุรักษ์และการติดตามการเปลี่ยนแปลง นักโบราณคดีใช้ LiDAR ในการติดตามการเปลี่ยนแปลงของแหล่งประวัติศาสตร์ โดยสามารถตรวจสอบการกัดเซาะ การเติบโตของพืชพรรณ หรือการขุดค้นที่ไม่ได้รับอนุญาต
• การวิเคราะห์ภูมิทัศน์ LiDAR ช่วยให้เข้าใจภูมิทัศน์โบราณโดยการระบุรูปแบบการตั้งถิ่นฐานและการใช้ที่ดิน

โดยสรุป LiDAR (Light Detection and Ranging) เป็นเทคโนโลยีที่เปลี่ยนแปลงการเก็บข้อมูลในหลายสาขา โดยให้ข้อมูลที่ละเอียดและแม่นยำสำหรับการทำแผนที่และการวิเคราะห์ ความสามารถในการจับภาพภูมิประเทศและโครงสร้างอย่างละเอียดทำให้ LiDAR เป็นเครื่องมือที่ขยายขอบเขตขีดจำกัดในการสำรวจและการติดตามสภาพแวดล้อม การวางแผนเมือง โบราณคดี และธรณีวิทยา

. . .
บทความล่าสุด : www.mitrearth.org
เยี่ยมชม facebook : มิตรเอิร์ธ – mitrearth