Lotniczy skaning laserowy w zarządzaniu kryzysowym

System lotniczego skanowania laserowego (ang. Airbone Laser Scanning, ALS)  składa się z dwóch segmentów: pokładowego (inaczej powietrznego) oraz naziemnego. W skład segmentu pokładowego wchodzą emiter, czyli urządzenie generujące wiązkę światła laserowego takie jak dalmierz laserowy oraz odbiornik (detektor), czyli urządzenie rejestrujące powracającą po odbiciu wiązkę światła laserowego. Z kolei segment naziemny składa się z naziemnej, referencyjnej stacji GNSS oraz specjalistycznego oprogramowania do przetwarzania danych obsługiwanego przez wyszkolonego operatora.

Dalmierz laserowy (emiter) wykorzystuje zazwyczaj zakres bliskiej podczerwieni (lub zakres widzialny) oraz działa impulsowo z częstotliwością rzędu kilkudziesięciu kHz. Na podstawie pomiaru czasu powrotu odbitego sygnału określana jest odległość pomiędzy samolotem a punktem terenowym. Na pokładzie samolotu znajduje się system pozycjonowania trajektorii lotu oparty o GNSS, dzięki czemu określana jest pozycja samolotu, z którego wysyłany jest impuls oraz inercjalny system nawigacyjny (ang. INS), dzięki któremu określane jest aktualne nachylenie kątowe i wektory przyspieszeń platformy skanującej.  Za pomocą powyższych urządzeń możliwe jest określenie współrzędnych punktu terenowego (X,Y,H), w który w danym momencie był wycelowany dalmierz laserowy.

Impuls dalmierza laserowego dociera do obiektów powierzchni terenu i jest przez nią rozpraszany. W przypadku terenów odkrytych, po odbiciu od powierzchni terenu wiązka padająca powraca do detektora i jest rejestrowana. Na obszarach pokrytych roślinnością lub występowania zabudowy wiązka odbija się od kilku obiektów jednocześnie, co powoduje, że rejestrowane są zarówno odbicia impulsu od powierzchni terenu jak i od napotkanych przeszkód takich jak korony drzew czy dachy budynków. Sposób odbicia wiązki lasera od obiektów terenowych zależy od ich powierzchni i struktury wewnętrznej, zaś promieniowanie może być całkowicie odbijane lub pochłonięte. 

Podstawowym produktem ALS jest chmura punktów o znanych współrzędnych X,Y,Z. Dane ALS po wstępnym przetworzeniu, oprócz współrzędnych XYZ przechowują wiele innych informacji takich jak czas pozyskania punktów, kolejności odbicia (pierwsze lub drugie echo sygnału), kąt wysyłania impulsu, intensywność odbicia, numer szeregu skanu i jego kierunek oraz inne zdefiniowane przez użytkownika cechy. Surowe dane ALS dostarczane są z reguły w formacie ASCII lub LAS.

Najczęstszym zastosowaniem chmury punktów lotniczego skaningu laserowego jest budowa Numerycznego Modelu Terenu (NMT, ang. Digital Elevation Model, DEM), który reprezentuje fizyczną powierzchnię terenu z jego morfologicznymi formami. Kolejnym najczęściej tworzonym produktem powstałym w wyniku przetworzenia chmury punktów jest Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMPT, ang. Digital Surface Model, DSM), który przedstawia ukształtowanie powierzchni wraz z występującą na niej pokrywą roślinną, zabudową, infrastrukturą itp. Ze wszystkich istniejących metod tworzenia NMPT, skaning laserowy uznawany jest za jedną z najdokładniejszych i stosunkowo prostych metod. Na podstawie numerycznego modelu terenu opartego o chmurę punktów ALS można wygenerować wiele innych produktów pochodnych takich jak profile terenowe, cieniowana mapa rzeźby terenu, mapa spadków, mapa widoczności, czy różnorodne wizualizacje trójwymiarowe. Z kolei na podstawie precyzyjnych numerycznych modeli pokrycia terenu z danych ALS można wygenerować prawdziwą ortofotmapę (ang. true orthophoto), czyli ortofotmapę na której zostały skorygowane przesunięcia budynków i innych obiektów wystających ponad powierzchnię terenu.

Lotniczy skaning laserowy znajduje szerokie zastosowanie w zarządzaniu kryzysowym. W ramach programu ISOK (Informatyczny System Osłony Kraju przed nadzwyczajnymi zagrożeniami) w oparciu o dane pochodzące z lotniczego skaningu laserowego opracowano mapy zagrożenia i ryzyka powodziowego. Powyższe mapy powstały na podstawie wyników modelowania hydraulicznego, które zostało wykonane z wykorzystaniem numerycznego modelu terenu uzyskanego z chmury punktów ALS. Dane z lotniczego skanowania laserowego zapewniają wysoką dokładność wyznaczania zasięgów i głębokości stref zalewowych, a co za tym idzie szacowanych wielkości strat powodziowych.

Dane ALS znajdują szerokie zastosowanie w badaniach geologicznych i geomorfologicznych, np. w badaniu ruchów masowych. Bardzo wysoka rozdzielczość numerycznych modeli terenu generowanych w oparciu o dane ALS umożliwia detekcję różnych form rzeźby terenu lub form pochodzenia antropogenicznego oraz wyznaczania zasięgu osuwisk.

Lotniczy skaning laserowy wykorzystywany jest również w badaniach dotyczących modelowania zagrożenia pożarowego. Dane ALS wykorzystywane są w modelach matematycznych prognozujących np. ilość „paliwa” dostępnego dla pożaru leśnego. Na podstawie danych ALS obliczane są takie parametry modelu jak zwarcie korony drzew, maksimum wysokości drzewostanów, średnia wysokość drzew itp.

Lotniczy skaning laserowy dostarcza dokładnych danych do budowy szczegółowych modeli 3D budynków, które są coraz chętniej wykorzystywane przez administrację lokalną do zarządzania miastem. Modele 3D budynków umieszczane są na publicznie dostępnych portalach internetowych jako jedna z warstw informacyjnych. Dzięki modelom 3D można uzyskać szczegółowe informacje na temat struktury zabudowy tkanki miejskiej. W zarządzaniu kryzysowym modele 3D budynków mogą być wykorzystywane do tworzenia symulacji i planów ewakuacji w przypadku klęsk żywiołowych.