Una guía completa de LiDAR: detección de luz y rango

¿Qué es la detección y el alcance de la luz (LiDAR)?

¿Cómo te gustaría agitar tu varita mágica y de repente descubrir qué tan lejos está todo de ti?

No se necesitaban varitas mágicas. Así es como funciona LiDAR (Light Detection and Ranging). ¡Por supuesto, sin la varita mágica!

Desmitifiquemos la detección de luz y el alcance. Con suerte, después de leer esto, pasarás de cero a un héroe LiDAR.

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LiDAR 101

LiDAR es fundamentalmente una tecnología a distancia . Desde un avión o helicóptero, los sistemas LiDAR envían luz al suelo.

Este pulso golpea el suelo y regresa al sensor. Luego, mide cuánto tiempo 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 y rango de luz.

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. Es por eso que las nubes de puntos LiDAR crean millones de puntos.

Los sistemas LiDAR son muy precisos porque se controlan en una plataforma. Por ejemplo, la precisión es de solo unos 15 cm en vertical y 40 cm en horizontal.

Mientras un avión viaja en el aire, las unidades LiDAR escanean el suelo de lado a lado. Si bien algunos pulsos estarán directamente debajo en el nadir, la mayoría de los pulsos viajan en ángulo (fuera del nadir). Entonces, cuando un sistema LiDAR calcula la elevación, también tiene en cuenta el ángulo.

Normalmente, el LiDAR lineal tiene un ancho de franja de 3,300 pies. Pero las nuevas tecnologías como Geiger LiDAR pueden escanear anchos de 16,000 pies. Este tipo de LiDAR puede cubrir huellas mucho más amplias en comparación con el LiDAR tradicional.

¿Qué puede generar LiDAR?

1. Número de devoluciones

Imagina que estás de excursión en un bosque. Luego, miras hacia el cielo. Si puede ver 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 como la luz del sol. Pero LiDAR no necesariamente solo llegará al suelo. En un área boscosa, puede reflejarse en diferentes partes del bosque hasta que el pulso finalmente golpea el suelo.

Al usar LiDAR para obtener puntos de suelo desnudo, no está haciendo rayos X a través de la vegetación. En cambio, estás mirando a través de los huecos de las hojas. Cuando golpea las ramas, obtienes múltiples golpes o devoluciones.

2. Número de devolución

En un bosque, el pulso láser desciende. Cuando la luz golpea diferentes partes del bosque, obtienes el “número de retorno”. Por ejemplo, obtendrás el 1er, 2do, 3er retorno hasta que finalmente llegue al suelo desnudo. Si no hay bosque en el camino, simplemente golpeará la superficie del suelo.

A veces, un pulso de luz no se refleja en una cosa. Como 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. Modelos digitales de elevación

Los modelos digitales de elevación (DEM) son modelos de tierra desnuda (topográficos) de la superficie de la Tierra. Al usar solo retornos terrestres, puede construir un DEM. Pero esto es diferente de los modelos digitales de terreno (DTM) porque los DTM incorporan contornos.

Al utilizar un DEM, puede generar productos adicionales. Por ejemplo, puede crear:

• Pendiente (subida o bajada expresada en grados o porcentaje)
• Aspecto (dirección de la pendiente)
• Sombreado (relieve sombreado considerando el ángulo de iluminación)

LEER MÁS : Fuentes de datos globales gratuitas de DEM .

4. Modelos digitales de superficie

Como ha aprendido, LiDAR mira a través del bosque. Finalmente, la luz llega al suelo. Entonces, obtenemos un retorno de 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, copas de árboles, líneas eléctricas y otras características.

5. Modelo de altura del dosel

Los modelos de altura del dosel (CHM) le brindan la altura real de las características topográficas en el suelo. También llamamos a este tipo de modelo de elevación un Modelo de Superficie Digital Normalizado (nDSM).

Primero, tome el DSM que incluye características naturales y construidas como árboles y edificios. A continuación, reste estas elevaciones de la Tierra desnuda (DEM). Cuando resta los dos, obtiene una superficie de características que representa la altura real desde el suelo.

6. Intensidad de la luz

La fuerza de los retornos LiDAR varía con la composición del objeto de superficie que refleja el retorno. Los porcentajes de reflexión 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 / cobertura del suelo . Por ejemplo, las superficies impermeables se destacan en 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 asigna la Sociedad Estadounidense de Fotogrametría y Percepción Remota (ASPRS) 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 por puntos puede caer en más de una categoría. Si este es el caso, los proveedores 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 gratuitas?

Los datos LiDAR son un recurso escaso 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 su búsqueda.

Si no puede encontrar lo que está buscando, lo más probable es que tenga que comprar datos LiDAR. Los proveedores generalmente vuelan LiDAR comercialmente en helicópteros, aviones y drones.

¿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

La creación de perfiles LiDAR fue el primer sistema que se utilizó en la década de 1980. Se especializó en características de línea recta como líneas eléctricas. Perfilar LiDAR envía un pulso individual en una línea. En un nadir fijo, mide la altura a lo largo de un solo transecto.

LiDAR de tamaño reducido

LiDAR de tamaño reducido es lo que más utilizamos hoy en día. Escanea en un ángulo de escaneo de aproximadamente 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 mirar hacia abajo.

• LiDAR topográfico cartografía la tierra, por lo general, utilizando luz infrarroja cercana.
• Batimétrico LiDAR utiliza luz verde que penetra en el agua para medir las elevaciones del lecho marino y del lecho de los ríos.

LiDAR de gran tamaño

LiDAR de gran tamaño utiliza formas de onda completas con una huella de 20 m. Pero su precisión es baja porque el retorno de pulso puede incluir terreno inclinado. Dos experimentos notables de la NASA utilizaron este tipo de LIDAR:

• SLICER (escaneo de imágenes Lidar de marquesinas por Echo Recovery)
• LVIS (sensor láser de imágenes de vegetación)

LiDAR terrestre

LiDAR terrestre se asienta sobre 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

LiDAR en modo Geiger todavía se encuentra en un estado experiencial. Pero se especializa en 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 utilizables y de alta precisión:

SENSORES LiDAR : mientras 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 del terreno y la elevación.

UNIDADES DE MEDICIÓN INERCIAL (IMU) : mientras los aviones viajan, las IMUs siguen su inclinación. Los sistemas LiDAR utilizan la inclinación para medir con precisión el ángulo de incidencia del pulso.

REGISTRADORES DE DATOS : Mientras 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 las devoluciones LiDAR de dos formas:

• Forma de onda completa
• LiDAR discreto

LiDAR discreto

Imagínese pulsos LiDAR escaneando a través de un área boscosa. Obtiene los retornos 1º, 2º, 3º porque el pulso golpea múltiples ramas. Luego, obtienes un pulso grande y final por el retorno al suelo desnudo.

Cuando registra los datos como declaraciones separadas, esto es “LiDAR de devolución discreta”. En resumen, LiDAR discreto toma cada pico y separa cada retorno.

LiDAR de forma de onda completa

Cuando registra todo el retorno como una onda continua, esto es LiDAR de forma de onda completa. Entonces, simplemente cuenta 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 de LiDAR apenas toca 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 las civilizaciones maya y egipcia.
HIDROLOGÍA : Los hidrólogos delinean los órdenes de las corrientes y los afluentes de LiDAR.

LEER MÁS : 100 aplicaciones y usos de teledetección que hacen temblar la tierra

Resumen: ¿Qué es LiDAR?

Light Detection and Ranging (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 sonoras) o al radar (ondas de radio) porque envía un pulso y mide el tiempo que tarda en regresar. Pero LiDAR es diferente al sonar y al radar porque usa luz.

Hemos resumido la detección de luz y el alcance con esta guía LiDAR. Ahora puede considerarse un gurú LiDAR.

¿Alguna pregunta? Háganos saber con un comentario a continuación.

Fuente: traducido de https://gisgeography.com/lidar-light-detection-and-ranging/