LiDAR é um acrônimo para detecção e alcance de luz, uma tecnologia óptica para detecção de distância. As primeiras tentativas de medir distâncias por feixes de luz foram feitas pela primeira vez nos anos 30, e o LiDAR aerotransportado tornou-se mais comumente usado nos anos 60, com medições geoespaciais começando nos anos 80.
À medida que a tecnologia evoluiu, os usos do LiDAR continuaram a se expandir. Mais recentemente, tem sido usado para sensoriamento remoto, mapeamento 3D e modelagem de altura de copa. Também se mostrou eficaz e vital para veículos autônomos e sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS).
O que é LiDAR?
LiDAR é uma tecnologia de medição de distância. Ele usa luz como um laser pulsado para detectar a distância entre objetos em um ambiente.
Uma fonte e um receptor de laser são componentes principais de um sistema LiDAR. A fonte transmite pulsos de laser refletidos em objetos na cena alvo. O receptor detecta pulsos de laser refletidos e mede a distância dos objetos na cena com base no cálculo do tempo de voo (TOF).
Significativamente, o LiDAR pode medir a distância entre objetos enquanto capturando o ambiente. É por isso que é eficaz para mapeamento e modelagem de superfícies.
À medida que o sistema detecta pulsos de laser refletidos, mede distâncias com base no tempo de voo – conhecido como “detecção e alcance de luz”.
Compreendendo o sensoriamento remoto
Existem dois tipos de sistemas LiDAR, LiDAR aéreo e terrestre. O Airborne LiDAR originou-se e se tornou um dos métodos comuns de sensoriamento remoto disponíveis. É até instalado em helicópteros e aviões, enviando luz como lasers pulsados para o solo. Os pulsos atingem o solo e retornam ao sensor. Então, o sistema mede quanto tempo a luz leva para retornar. Com base no tempo de retorno, o LiDAR mede a distância.
Um sistema LiDAR pode gerar um mapa tridimensional preciso detalhando a forma e a superfície da Terra usando medições de distância, dados de GPS e/ou outros dados registrados pelo sistema aéreo.
O sensoriamento remoto utiliza dois tipos de sistemas LiDAR, topográfico e batimétrico. O LiDAR topográfico usa um laser infravermelho para mapear a Terra, e o LiDAR batimétrico usa uma luz verde que penetra na água para mapear o fundo do mar e as superfícies do leito dos rios.
Airborne LiDAR é usado para mapeamento de superfície de estruturas naturais e artificiais. Por exemplo, é usado para mapear a geologia, a superfície terrestre e as linhas costeiras para gerar modelos digitais de elevação ou para monitoramento de terras, planejamento urbano e até mesmo planejamento de desastres naturais (para avaliar inundações, deslizamentos de terra, tsunamis, etc.). Também é comumente usado para pesquisar e monitorar vegetação, agricultura, silvicultura, rios, bacias hidrográficas e para pesquisas arqueológicas.
LiDAR também pode medir cereter gases e partículas na atmosfera. Desta forma, às vezes também é usado para monitoramento climático e meteorologia.
Como funciona o LiDAR
Como o LiDAR é um dispositivo de alcance, a luz laser, o sensor e o GPS são seus componentes mais importantes. A distância entre objetos em um determinado espaço é registrada medindo o lapso de tempo entre os pulsos de luz transmitidos e retroespalhados. O sistema geralmente usa um espelho de varredura ou vários feixes de luz laser para escanear a área alvo.
Um comprimento de onda de feixe de laser ideal é usado para gerar modelos digitais de superfície ou modelos digitais de elevação – um que seja seguro para os olhos humanos, mas que não seja absorvido pelos gases atmosféricos. Esses sistemas normalmente transmitem cerca de 160.000 pulsos de laser por segundo, varrendo cada pixel do medidor com cerca de 15 pulsos.
À medida que um avião se move, por exemplo, o sistema LiDAR varre a superfície do solo de um lado para o outro. Ele varre uma área de 1 a 5 km. A maioria dos pulsos de laser são transmitidos no solo em um ângulo e os demais são direcionados abaixo do sistema.
Os pulsos transmitidos são então refletidos do solo ou de outros objetos. Tem a mesma intensidade se for refletido no solo ou no topo de uma copa. Mas se o feixe de laser atingir os galhos de uma árvore ou as bordas de um edifício, ele será refletido várias vezes antes de ser recebido pelo sensor. Os feixes de laser espalhados retornam com menor intensidade. Nesses casos, múltiplas reflexões (ou seja, o primeiro, o segundo, o terceiro retorno e assim por diante) são registradas a partir de um único pulso de laser.
Um sistema LiDAR registra vários pontos de dados simultaneamente, incluindo:
- Intensidade de luz dos pulsos detectados
- Localização X, Y e Z através de GPS
- Orientação de um objeto (como o plano no céu) com a ajuda de uma unidade de medida interna.
À medida que objetos como árvores e edifícios no solo espalham e refletem os raios laser de maneira diferente e em diferentes intensidades, o LiDAR usa essas diferenças para mapear com precisão e precisão a superfície do solo, os objetos no solo e a distância com eles.
A transmissão e detecção dos feixes são controladas por software. Os sistemas LiDAR aerotransportados normalmente têm uma resolução de 40 cm na horizontal e 15 cm na vertical.
Para monitoramento climático e meteorologia, os sistemas LiDAR usam comprimentos de onda específicos espalhados, absorvidos ou reemitidos pelas moléculas e partículas na atmosfera. Ao medir a concentração de gotas de chuva, por exemplo, os sistemas LiDAR podem prever a distância de uma tempestade ou estimar a precipitação prevista. Em muitos sistemas meteorológicos, os sistemas LiDAR incorporam o efeito Doppler para medir a velocidade do vento atmosférico.
O LiDAR utiliza tecnologia de digitalização e, por isso, funciona bem em veículos avançados. O LiDAR pode criar um modelo 3D das condições de direção ao redor, mesmo quando o cenário (tráfego, construção, pedestres, etc.) muda. Com a técnica Doppler também pode ser utilizada para estimar a velocidade de outros veículos.
LiDAR é semelhante, mas diferente do radar e do sonar. O radar usa frequências de rádio e o sonar usa ondas sonoras para examinar o ambiente. LiDAR usa feixes LASER.
Dados LiDAR
Os sistemas LiDAR registram a distribuição de uma forma de onda de luz e intensidade de luz. Pode haver duas maneiras de registrar uma forma de onda de luz – como um retorno discreto ou uma forma de onda completa.
- Num retorno discreto, os picos ou outros objetos proeminentes são registrados como pontos na curva da forma de onda. Esses pontos discretos são chamados de retornos e são registrados em uma escala de 1 a 4 ou mais.
- Numa forma de onda completa, são registadas distribuições contínuas da forma de onda da luz em vez de pontos discretos. O LiDAR de forma de onda completa registra a maior parte das informações, por isso é mais complexo e envolve mais dados computacionais para processar.
Independentemente do método de gravação, os dados LiDAR muitas vezes também são processados usando pontos discretos, conhecidos como “classificação de pontos”. É disponibilizado como uma coleção de pontos denominada nuvem de pontos LiDAR, que pode estar disponível em arquivos no formato .LAZ ou .LAS.
Na nuvem de pontos LiDAR, os atributos dos dados são descritos por metadados. Esses atributos incluem as localizações X e Y, o valor da elevação (Z) e o valor da intensidade da luz registrada. Pode haver dados adicionais como GPS e orientação. A nuvem de pontos é frequentemente processada para derivar a classificação. A classificação pode ser “solo” ou “sem solo”, “solo” ou “vegetação”, ou classificação em edifícios e outras infra-estruturas.
O LiDAR aerotransportado é usado principalmente para criar modelos digitais de elevação de alta resolução. Ele cria modelos digitais de superfície para registrar a elevação de edifícios, árvores, solo e outras estruturas. Os modelos de altura da copa são derivados subtraindo a elevação do solo da elevação das árvores, edifícios ou outros objetos.
Esses modelos são usados para prever a verdadeira altura das características topográficas da Terra. O LiDAR também pode ser usado para registrar estruturas florestais verticais, como para identificar espécies de árvores específicas.
Além da classificação de pontos, os dados LiDAR podem ser usados como um registro contínuo da intensidade da luz. Neste tipo de dados LiDAR, são registradas as porcentagens refletivas da forma de onda da luz retornada. Os dados são então usados pela classificação de imagens baseada em objetos ou classificação de imagens.
LiDAR Terrestre
Os sistemas LiDAR terrestres são geralmente instalados em veículos em movimento. Esses sistemas criam modelos tridimensionais de estradas, infraestrutura, edifícios e rodovias.
Os sistemas LiDAR portáteis são usados para varreduras arquitetônicas para criar modelos do interior e exterior dos edifícios. Os sistemas LiDAR terrestres incluem dois tipos, LiDAR estático e móvel.
Aplicações de LiDAR
Algumas das aplicações populares do LiDAR são descritas abaixo.
1. Mapeamento: LiDAR cria modelos tridimensionais da superfície terrestre. Esses modelos podem ser modelos digitais de superfície ou modelos digitais de elevação.
2. Oceanografia: O LiDAR é usado ativamente para escanear linhas costeiras e superfícies marítimas, medindo a profundidade exata do oceano. Ele pode detectar vida marinha, navios perdidos ou biomassa no mar.
3. Agricultura: O sensoriamento remoto é a principal aplicação de um sistema LiDAR e pode monitorar o rendimento das culturas, a dispersão de sementes e a exploração de culturas em terras agrícolas.
4. Arqueologia: Os sistemas LiDAR móveis examinam estruturas arqueológicas e criam modelos tridimensionais para conservá-las digitalmente.
5. Militar: Os sistemas LiDAR são comumente implantados em áreas fronteiriças para detectar invasões.
6. Arquitetura: Os sistemas LiDAR móveis podem inspecionar o interior e o exterior de edifícios e criar modelos 3D. Eles são comumente usados para desenvolver plantas baixas e designs de interiores.
7. Espaço: Os sistemas LiDAR apoiam o pouso seguro de veículos lunares.
8. Desastres naturais: Os sistemas LiDAR estimam a distância e a velocidade das tempestades e mapeiam os riscos de inundações, erosões costeiras e estoques de carbono nas florestas.
9. Automóveis: O LIDAR pequeno e de baixo alcance é usado em sistemas ADAS para escanear uma cena dinâmica e navegar em veículos autônomos.
Usando LiDAR com Arduino
LiDAR é algo que você pode experimentar por si mesmo. Confira este tutorial para saber como os sistemas LiDAR funcionam com o Arduino.
