¿Qué es Light Detection and Ranging (LiDAR)?
¿Te gustaría agitar tu varita mágica y de repente descubrir cuán lejos está todo de ti?
No se necesitaron varitas mágicas. Así es como funciona LiDAR (Detección y Alcance de luz). Por supuesto, sin la varita mágica!
Desmitifiquemos la detección y el alcance de la luz. Con suerte, después de leer esto, pasarás de cero a un héroe LiDAR.
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LiDAR 101
LiDAR es fundamentalmente una tecnología de distancia. Desde un avión o helicóptero, los sistemas LiDAR envían luz al suelo.
Este pulso golpea el suelo y regresa al sensor. Luego, mide el tiempo que tarda la luz en regresar al sensor.
Al registrar el tiempo de retorno, así es como LiDAR mide la distancia. De hecho, así es como LiDAR obtuvo su nombre: Detección de luz y alcance.
Cómo funciona LiDAR
LiDAR es una herramienta de muestreo. Lo que quiero decir con eso es que envía más de 160.000 pulsos por segundo. Por cada segundo, cada píxel de 1 metro recibe aproximadamente 15 pulsos. Esta es la razón por la que las nubes de puntos LiDAR crean millones de puntos.
los sistemas LiDAR son muy preciso, porque se está controlada en una plataforma. Por ejemplo, la precisión es de solo unos 15 cm verticalmente y 40 cm horizontalmente.
A medida que un avión viaja en el aire, las unidades LiDAR escanean el suelo de lado a lado. Mientras que algunos pulsos estarán directamente debajo en el nadir, la mayoría de los pulsos viajan en un ángulo (fuera del nadir). Así que cuando un sistema LiDAR calcula la elevación, también tiene en cuenta el ángulo.
Normalmente, el LiDAR lineal tiene un ancho de hilera de 3,300 pies. Pero las nuevas tecnologías como el LiDAR Geiger pueden escanear anchos de 16,000 pies. Este tipo de LiDAR puede cubrir huellas mucho más anchas en comparación con el LiDAR tradicional.
¿Qué puede generar LiDAR?
1. Número de devoluciones
Imagine que está caminando en un bosque. Luego, miras al cielo. Si puedes ver la luz, esto significa que los pulsos LiDAR también pueden pasar. Además, esto significa que LiDAR puede golpear la Tierra desnuda o la vegetación corta.
Una cantidad significativa de luz penetra en el dosel del bosque al igual que la luz solar. Pero LiDAR no necesariamente solo llegará al suelo desnudo. En un área boscosa, puede reflejarse en diferentes partes del bosque hasta que el pulso finalmente toque el suelo.
Al usar LiDAR para obtener puntos de suelo desnudo, no estás haciendo rayos X a través de la vegetación. En cambio, realmente estás mirando a través de los huecos en las hojas. Cuando golpea las ramas, obtienes múltiples golpes o retornos.
2. Número de retorno
En un bosque, el pulso láser va hacia abajo. Cuando la luz llega a diferentes partes del bosque, obtienes el «número de retorno». Por ejemplo, obtendrás los retornos 1, 2 y 3 hasta que finalmente toque el suelo desnudo. Si no hay bosque en el camino, golpeará la superficie del suelo.
A veces un pulso de luz no se refleja en una cosa. Al igual que en el caso de los árboles, un pulso de luz podría tener múltiples retornos. Los sistemas LiDAR pueden registrar información desde la parte superior del dosel, a través del dosel, hasta el suelo. Esto hace que LiDAR sea valioso para interpretar la estructura del bosque y la forma de los árboles.
3. Los Modelos Digitales de Elevación
Los Modelos Digitales de Elevación (DEM) son modelos topográficos de la superficie de la Tierra desnuda. Al usar solo retornos de tierra, puede construir un DEM. Pero esto es diferente de los Modelos Digitales de Terreno (DTM) porque los DTM incorporan contornos.
Al usar un DEM, puede generar productos adicionales. Por ejemplo, puede crear:
- Pendiente (subida o bajada expresada en grados o porcentaje)
- Aspecto (dirección de la pendiente)
- Sombra (relieve sombreado teniendo en cuenta el ángulo de iluminación)
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4. Modelos Digitales de superficie
Como ha aprendido, LiDAR observa a través del bosque. Finalmente, la luz llega al suelo. Entonces, tendremos un regreso a la Tierra desnuda. ¿Pero qué pasa con el primer retorno que golpea el árbol?
Un modelo de superficie Digital (DSM) incorpora elevaciones de superficies naturales y construidas. Por ejemplo, agrega elevación de edificios, dosel de árboles, líneas eléctricas y otras características.
5. Modelo de altura del Dosel
Los modelos de altura del Dosel (CHM) le brindan la verdadera altura de las características topográficas en el suelo. También llamamos a este tipo de modelo de elevación un Modelo de Superficie Digital Normalizado (nDSM).
En primer lugar, tome el DSM que incluye características naturales y construidas, como árboles y edificios. A continuación, reste estas elevaciones de la Tierra desnuda (DEM). Al restar los dos, se obtiene una superficie de características que representa la altura real desde el suelo.
6. Intensidad de luz
La fuerza de los retornos LiDAR varía con la composición del objeto de superficie que refleja el retorno. Los porcentajes reflectantes se denominan intensidad LiDAR.
Pero varios factores afectan la intensidad de la luz. Por ejemplo, el alcance, el ángulo de incidencia, el haz, el receptor y la composición de la superficie (especialmente) influyen en la intensidad de la luz. Un ejemplo es cuando el pulso se inclina más lejos, la energía de retorno disminuye.
La intensidad de la luz es particularmente útil para distinguir características en el uso/cubierta del suelo. Por ejemplo, las superficies impermeables se destacan en las imágenes de intensidad de luz. Esta es la razón por la que la intensidad de la luz es buena para la clasificación de imágenes, como el análisis de imágenes basado en objetos.
7. Clasificación de puntos
Hay un conjunto de códigos de clasificación que la Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección (ASPRS) asigna para la clasificación de puntos LiDAR.
Por ejemplo, las clases pueden incluir suelo, vegetación (baja, media y alta), construcción y agua, etc. A veces, la clasificación de puntos puede caer en más de una categoría. Si este es el caso, los vendedores suelen marcar estos puntos con clases secundarias.
Los proveedores pueden clasificar LiDAR o no. Los códigos son generados por el pulso láser reflejado de forma semiautomática. No todos los proveedores agregan este campo de clasificación LAS. En realidad, generalmente se acuerda en el contrato de antemano.
¿Dónde están las fuentes LiDAR abiertas y libres?
Los datos LiDAR son un recurso raro y precioso. Pero gracias a los programas de datos abiertos, están cada vez más disponibles.
Entonces, ¿dónde están los datos LiDAR? Aquí hay una lista de las 6 principales fuentes de datos LiDAR gratuitas para que pueda comenzar con su búsqueda.
Si no puede encontrar lo que está buscando, lo más probable es que tenga que comprar datos LiDAR. Los vendedores generalmente vuelan LiDAR comercialmente en helicóptero, avión y avión no tripulado.
¿Cuáles son los tipos de LiDAR?
Exploremos los tipos de sistemas LiDAR. Se diferencian en:
- Tamaño de la huella
- Longitud de onda
- Alineación posicional
Perfilado LiDAR
Perfilado LiDAR fue el primer sistema utilizado en la década de 1980.Se especializó en funciones de línea recta, como líneas eléctricas. Perfilado LiDAR envía un pulso individual en una línea. En un nadir fijo, mide la altura a lo largo de un solo transecto.
LiDAR de huella pequeña
LiDAR de huella pequeña es lo que más usamos hoy en día. Escanea con un ángulo de escaneo de unos 20 grados. Luego, se mueve hacia atrás y hacia adelante. Si supera los 20 grados, el instrumento LiDAR puede comenzar a ver los lados de los árboles en lugar de directamente hacia abajo.
- Los mapas topográficos LiDAR cartografían la tierra típicamente usando luz infrarroja cercana.
- El LiDAR batimétrico utiliza luz verde que penetra el agua para medir las elevaciones del fondo marino y el lecho de los ríos.
LiDAR de gran tamaño
El LiDAR de gran tamaño utiliza formas de onda completas con una huella de 20 m. Pero su precisión es baja porque el retorno del pulso puede incluir terreno inclinado. Dos experimentos notables de la NASA utilizaron este tipo de LIDAR:
- CORTADORA (Escáner de Imágenes Lidar de Marquesinas mediante Recuperación de Eco)
- LVIS (Sensor Láser de Imágenes de Vegetación)
LiDAR basado en tierra
LiDAR basado en tierra se sienta en un trípode y escanea el hemisferio. Es particularmente bueno para escanear edificios. Pero también hay aplicaciones en geología, silvicultura y construcción.
LiDAR en modo Geiger
El LiDAR en modo Geiger todavía está en un estado experiencial. Pero se especializa en el escaneo a gran altitud. Debido a que tiene una franja extremadamente ancha, puede cubrir más terreno en comparación con otros tipos de LiDAR.
Componentes del sistema LiDAR
Hay 4 partes principales de un LiDAR aerotransportado. Trabajan juntos para producir resultados altamente precisos y utilizables:
SENSORES LiDAR: A medida que el avión viaja, los sensores escanean el suelo de lado a lado. Los pulsos suelen estar en bandas verdes o de infrarrojo cercano.
RECEPTORES GPS: Los receptores GPS rastrean la altitud y la ubicación del avión. Estas pistas son importantes para obtener valores precisos de terreno y elevación.
UNIDADES DE MEDICIÓN INERCIAL (IMU): A medida que viajan los aviones, IMUs rastrea su inclinación. Los sistemas LiDAR utilizan la inclinación para medir con precisión el ángulo de incidencia del pulso.
REGISTRADORES DE DATOS: A medida que LiDAR escanea la superficie, una computadora registra todos los retornos de pulso. Luego, estas grabaciones se traducen en elevación.
Forma de onda completa vs Discreta
Los sistemas LiDAR almacenan devoluciones LiDAR de dos maneras:
- Forma de onda completa
- LiDAR discreto
LiDAR discreto
Imagine pulsos LiDAR que escanean a través de un área boscosa. Obtienes 1, 2 y 3 retornos porque el pulso golpea múltiples ramas. Luego, se obtiene un pulso grande y final por el retorno de tierra desnuda.
Cuando registra los datos como retornos separados, esto es «LiDAR de retorno discreto». En resumen, LiDAR discreto toma cada pico y separa cada retorno.
LiDAR de forma de onda completa
Cuando graba todo el retorno como una onda continua, se trata de LiDAR de forma de onda completa. Por lo tanto, simplemente cuentas los picos, esto lo hace discreto.
Aunque los datos de forma de onda completa son más complicados, LiDAR se está moviendo hacia un sistema de forma de onda completa.
Proyectos y aplicaciones LiDAR
Esta lista de usos y aplicaciones LiDAR apenas roza la superficie. Por ejemplo, aquí hay algunas formas en que usamos LiDAR hoy:
SILVICULTURA: Los silvicultores utilizan LiDAR para comprender mejor la estructura y la forma de los árboles.
COCHES AUTÓNOMOS: Los coches autónomos utilizan un escáner LiDAR para detectar peatones, ciclistas, señales de alto y otros obstáculos.
ARQUEOLOGÍA: Los arqueólogos usan LiDAR para encontrar patrones cuadrados en el suelo, que eran edificios antiguos y pirámides construidas por civilizaciones mayas y egipcias.
HIDROLOGÍA: Los hidrólogos delinean órdenes de arroyos y afluentes de LiDAR.
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Resumen: ¿Qué es LiDAR?
La detección y medición de luz (LiDAR) utiliza láseres para medir la elevación de las características.
Es una tecnología de distancia que muestrea con una increíble cantidad de precisión y puntos.
Es similar al sonar (ondas de sonido) o al radar (ondas de radio) porque envía un pulso y mide el tiempo que tarda en regresar. Pero el LiDAR es diferente al sonar y al radar porque usa luz.
Hemos resumido la detección y el alcance de la luz con esta guía LiDAR. Ahora puedes considerarte un guru LiDAR.