LiDAR es un acrónimo de detección y alcance de luz, una tecnología óptica para la detección de distancias. Los primeros intentos de medir distancias mediante haces de luz se hicieron en la década de 1930, y el LiDAR aéreo se empezó a utilizar más comúnmente en la década de 1960, y las mediciones geoespaciales comenzaron en la década de 1980.
A medida que la tecnología ha evolucionado, los usos de LiDAR han seguido ampliándose. Más recientemente, se ha utilizado para teledetección, mapeo 3D y modelado de altura de copas de árboles. También ha demostrado ser eficaz y vital para vehículos autónomos y sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS).
¿Qué es LiDAR?
LiDAR es una tecnología de medición de distancias. Utiliza luz como un láser pulsado para detectar la distancia entre objetos en un entorno.
Una fuente y un receptor láser son componentes clave de un sistema LiDAR. La fuente transmite pulsos láser reflejados por los objetos en la escena objetivo. El receptor detecta pulsos de láser reflejados y mide la distancia a los objetos en la escena basándose en el cálculo del tiempo de vuelo (TOF).
Es importante destacar que LiDAR puede medir la distancia entre objetos mientras captura el entorno. Por eso es eficaz para mapear y modelar superficies.
A medida que el sistema detecta pulsos láser reflejados, mide distancias según el tiempo de vuelo, lo que se conoce como "detección y alcance de luz".
Comprender la teledetección
Hay dos tipos de sistemas LiDAR, LiDAR aéreo y terrestre. El LiDAR aerotransportado se originó y se convirtió en uno de los métodos de detección remota más comunes disponibles. Incluso se instala en helicópteros y aviones y envía luz como láseres pulsados al suelo. Los pulsos llegan al suelo y regresan al sensor. Luego, el sistema mide cuánto tarda la luz en regresar. Según el tiempo de regreso, LiDAR mide la distancia.
Un sistema LiDAR puede generar un mapa tridimensional preciso que detalla la forma y la superficie de la Tierra utilizando mediciones de distancia, datos de GPS y/u otros datos registrados por el sistema aéreo.
La teledetección utiliza dos tipos de sistemas LiDAR, topográficos y batimétricos. El LiDAR topográfico utiliza un láser infrarrojo para mapear la Tierra, y el LiDAR batimétrico usa luz verde que penetra el agua para mapear el fondo marino y las superficies del lecho de los ríos.
El LiDAR aerotransportado se utiliza para mapear superficies de estructuras naturales y artificiales. Por ejemplo, se utiliza para cartografiar la geología, la superficie terrestre y las costas para generar modelos digitales de elevación o para la monitorización del territorio, la planificación urbana e incluso la planificación de desastres naturales (para evaluar inundaciones, deslizamientos de tierra, tsunamis, etc.). También se utiliza comúnmente para estudiar y monitorear la vegetación, la agricultura, la silvicultura, los ríos, las cuencas hidrográficas y para la investigación arqueológica.
LiDAR también puede medir y atrapar gases y partículas en la atmósfera. De este modo, en ocasiones también se utiliza para la vigilancia del clima y la meteorología.
Cómo funciona LiDAR
Dado que LiDAR es un dispositivo de alcance, la luz láser, el sensor y el GPS son sus componentes más importantes. La distancia entre objetos en un espacio determinado se registra midiendo el lapso de tiempo entre los pulsos de luz transmitidos y retrodispersados. El sistema generalmente utiliza un espejo de escaneo o múltiples rayos de luz láser para escanear el área objetivo.
Se utiliza una longitud de onda de rayo láser ideal para generar modelos digitales de superficie o modelos digitales de elevación, uno que sea seguro para los ojos humanos pero que no sea absorbido por los gases atmosféricos. Estos sistemas suelen transmitir alrededor de 160.000 pulsos láser por segundo, escaneando cada píxel de un metro con aproximadamente 15 pulsos.
Cuando un avión se mueve, por ejemplo, el sistema LiDAR escanea la superficie del suelo de un lado a otro. Escanea un área de 1 a 5 km. La mayoría de los pulsos láser se transmiten al suelo en ángulo y el resto se dirigen debajo del sistema.
Los pulsos transmitidos luego se reflejan desde el suelo u otros objetos. Tiene la misma intensidad ya sea que se refleje desde el suelo o desde lo alto de un dosel. Pero si el rayo láser incide en las ramas de un árbol o en los bordes de un edificio, se reflejará varias veces antes de ser recibido por el sensor. Los rayos láser dispersos regresan con menor intensidad. En estos casos, se registran múltiples reflexiones (es decir, el primer, segundo, tercer retorno, etc.) a partir de un único pulso láser.
Un sistema LiDAR registra múltiples puntos de datos simultáneamente, que incluyen:
- Intensidad de la luz de los pulsos detectados.
- Ubicación X, Y y Z vía GPS
- Orientación de un objeto (como el avión en el cielo) con la ayuda de una unidad de medida interna.
Dado que los objetos como árboles y edificios en el suelo se dispersan y reflejan los rayos láser de manera diferente y con diferentes intensidades, LiDAR utiliza estas diferencias para mapear con precisión y precisión la superficie del suelo, los objetos en el suelo y la distancia a ellos.
La transmisión y detección del haz están controladas por software. Los sistemas LiDAR aéreos suelen tener una resolución de 40 cm horizontalmente y 15 cm verticalmente.
Para el seguimiento del clima y la meteorología, los sistemas LiDAR utilizan longitudes de onda específicas dispersadas, absorbidas o reemitidas por moléculas y partículas en la atmósfera. Al medir la concentración de gotas de lluvia, por ejemplo, los sistemas LiDAR pueden predecir la distancia de una tormenta o estimar las precipitaciones previstas. En muchos sistemas meteorológicos, los sistemas LiDAR incorporan el efecto Doppler para medir la velocidad del viento atmosférico.
LiDAR utiliza tecnología de escaneo y, por lo tanto, funciona bien en vehículos avanzados. LiDAR puede crear un modelo 3D de las condiciones de conducción circundantes, incluso cuando cambia el paisaje (tráfico, construcción, peatones, etc.). La técnica Doppler también se puede utilizar para estimar la velocidad de otros vehículos.
LiDAR es similar pero diferente al radar y al sonar. El radar utiliza frecuencias de radio y el sonar utiliza ondas sonoras para escanear el entorno. LiDAR utiliza rayos LÁSER.
Datos LiDAR
Los sistemas LiDAR registran la distribución de una forma de onda de luz y su intensidad. Puede haber dos formas de registrar una forma de onda de luz: como un retorno discreto o como una forma de onda completa.
- En la retroalimentación discreta, los picos u otros objetos prominentes se registran como puntos en la curva de forma de onda. Estos puntos discretos se denominan rendimientos y se registran en una escala del 1 al 4 o más.
- En una forma de onda completa, se registran distribuciones continuas de la forma de onda de luz en lugar de puntos discretos. LiDAR de forma de onda completa registra la mayor cantidad de información, por lo que es más complejo e implica más datos computacionales para procesar.
Independientemente del método de registro, los datos LiDAR a menudo también se procesan mediante puntos discretos, lo que se conoce como “clasificación de puntos”. Está disponible como una colección de puntos llamada nube de puntos LiDAR, que puede estar disponible en archivos de formato .LAZ o .LAS.
En la nube de puntos LiDAR, los atributos de los datos se describen mediante metadatos. Estos atributos incluyen las ubicaciones X e Y, el valor de elevación (Z) y el valor de intensidad de la luz registrado. Puede haber datos adicionales como GPS y orientación. La nube de puntos suele procesarse para derivar la clasificación. La clasificación puede ser “suelo” o “sin suelo”, “suelo” o “vegetación”, o clasificación en edificios y otras infraestructuras.
El LiDAR aerotransportado se utiliza principalmente para crear modelos de elevación digitales de alta resolución. Crea modelos de superficie digitales para registrar la elevación de edificios, árboles, suelo y otras estructuras. Los modelos de altura del dosel se obtienen restando la elevación del suelo de la elevación de árboles, edificios u otros objetos.
Estos modelos se utilizan para predecir la altura real de las características topográficas de la Tierra. LiDAR también se puede utilizar para registrar estructuras forestales verticales, como para identificar especies de árboles específicas.
Además de la clasificación de puntos, los datos LiDAR se pueden utilizar como un registro continuo de la intensidad de la luz. En este tipo de datos LiDAR, se registran los porcentajes reflectantes de la forma de onda de luz devuelta. Luego, los datos se utilizan mediante clasificación de imágenes basada en objetos o clasificación de imágenes.
LiDAR terrestre
Los sistemas LiDAR terrestres generalmente se instalan en vehículos en movimiento. Estos sistemas crean modelos tridimensionales de carreteras, infraestructuras, edificios y autopistas.
Los sistemas LiDAR portátiles se utilizan para escaneos arquitectónicos para crear modelos del interior y exterior de los edificios. Los sistemas LiDAR terrestres incluyen dos tipos, LiDAR estático y móvil.
Aplicaciones LiDAR
Algunas de las aplicaciones populares de LiDAR se describen a continuación.
1. Mapeo: LiDAR crea modelos tridimensionales de la superficie de la Tierra. Estos modelos pueden ser modelos digitales de superficie o modelos digitales de elevación.
2. Oceanografía: LiDAR se utiliza activamente para escanear costas y superficies marinas, midiendo la profundidad exacta del océano. Puede detectar vida marina, barcos perdidos o biomasa en el mar.
3. Agricultura: La teledetección es la principal aplicación de un sistema LiDAR y puede monitorear el rendimiento de los cultivos, la dispersión de semillas y la explotación de cultivos en tierras agrícolas.
4. Arqueología: Los sistemas móviles LiDAR examinan estructuras arqueológicas y crean modelos tridimensionales para conservarlas digitalmente.
5. Militar: Los sistemas LiDAR se suelen desplegar en zonas fronterizas para detectar intrusiones.
6. Arquitectura: Los sistemas LiDAR móviles pueden inspeccionar el interior y el exterior de los edificios y crear modelos 3D. Se utilizan comúnmente para desarrollar planos de planta y diseños de interiores.
7. Espacio: Los sistemas LiDAR apoyan el aterrizaje seguro de vehículos lunares.
8. Desastres naturales: los sistemas LiDAR estiman la distancia y la velocidad de las tormentas y mapean los riesgos de inundaciones, erosión costera y reservas de carbono en los bosques.
9. Automóviles: LIDAR pequeño y de bajo alcance se utiliza en sistemas ADAS para escanear una escena dinámica y navegar en vehículos autónomos.
Usando LiDAR con Arduino
LiDAR es algo que puedes experimentar por ti mismo. Consulte este tutorial para aprender cómo funcionan los sistemas LiDAR con Arduino.
