LiDAR, acrónimo inglés de "detección y localización por luz", es una tecnología de teledetección que utiliza rayos láser para medir distancias y movimientos precisos en tiempo real.
Los datos LiDAR pueden utilizarse para generar desde mapas topográficos detallados hasta modelos 3D precisos y dinámicos necesarios para guiar con seguridad un vehículo autónomo por un entorno en constante cambio. La tecnología LiDAR también se utiliza para evaluar riesgos y catástrofes naturales como flujos de lava, corrimientos de tierras, tsunamis e inundaciones.
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El LiDAR funciona según el mismo principio que el radar (que significa "localización por radio", un sistema de localización que suelen utilizar barcos y aviones) y el sonar (que significa "navegación y localización por sonido", un sistema que suelen utilizar los submarinos). Estas tres tecnologías emiten ondas de energía para detectar y rastrear objetos. La diferencia es que mientras que el radar utiliza microondas y el sonar ondas sonoras, el LiDAR utiliza luz reflejada, lo que permite medir la distancia más rápidamente, con mayor precisión y mayor resolución que el radar o el sonar.
Un instrumento LiDAR típico se compone de varios componentes:
- un escáner láser que emite impulsos rápidos de luz láser infrarroja cercana
- un sensor LiDAR utilizado para detectar y recoger los impulsos luminosos, y
- un procesador para calcular el tiempo y la distancia y para construir el conjunto de datos resultante, denominado nube de puntos LiDAR.
Para que la teledetección sea precisa, las mediciones del tiempo y el espacio deben ser exactas, por lo que un sistema LiDAR también utilizará electrónica de cronometraje, una unidad de medición inercial (IMU) y GPS.
El instrumento LiDAR emite luz láser pulsada en el entorno. Estos impulsos viajan a la velocidad de la luz, rebotan en los objetos circundantes y vuelven al sensor LiDAR. El sensor mide el tiempo que tarda en volver cada pulso y calcula la distancia que ha recorrido. Dado que la velocidad de la luz láser es constante, este "tiempo de vuelo" puede utilizarse para calcular distancias precisas.
Al repetir el proceso y enviar pulsos láser a un área mayor, se pueden recoger mediciones del tiempo de vuelo en miles de millones de puntos individuales y procesarlos en tiempo real en lo que se conoce como nube de puntos LiDAR.
Los datos se someten a varias etapas de procesamiento para transformar la nube de puntos LiDAR en un mapa 3D. En primer lugar, se comprueba que sean correctos y completos y se limpia para eliminar ruidos anómalos. A continuación, se pueden identificar y clasificar algorítmicamente las características de la superficie del terreno, como edificios, bancos y marquesinas.
Para simplificar el análisis, los algoritmos reducen la resolución de la nube de puntos para eliminar los datos redundantes y reducir el tamaño del archivo. A continuación, los datos se convierten al formato de archivo LAS (o LASer) estándar del sector que se utiliza para intercambiar datos 3D x, y, z.
Tras la conversión, los datos de la nube de puntos pueden visualizarse y modelarse como un mapa 3D del terreno analizado por LiDAR. Estos cálculos son constantes y continuos para un sistema LiDAR en movimiento, como los que se utilizan en los vehículos autónomos. Según algunas fuentes, los vehículos autónomos generan y procesan un terabyte de datos cada hora.1
Los sistemas LiDAR pueden dividirse en dos tipos principales en función de su plataforma: LiDAR aerotransportado y LiDAR terrestre.
Los sistemas LiDAR aerotransportados, también conocidos como sistemas de escaneado láser aerotransportado, utilizan escáneres LiDAR montados en aeronaves (normalmente helicópteros o drones) para generar modelos 3D de la superficie terrestre.
La cartografía LiDAR aerotransportada se ha convertido en una valiosa herramienta para crear modelos digitales de elevación de la superficie terrestre, sustituyendo principalmente al método de fotogrametría, más antiguo y menos preciso. El escaneado LiDAR aerotransportado también se utiliza mucho en silvicultura para elaborar estudios LiDAR del dosel forestal y modelos topográficos del terreno de la superficie del bosque.
Los tipos de tecnología LiDAR aerotransportada incluyen:
LiDAR batimétrico
El LiDAR batimétrico captura datos SIG en aguas poco profundas y a lo largo de las costas. El LiDAR batimétrico emite rayos láser verdes a una longitud de onda que puede penetrar en el agua para medir la elevación digital del fondo marino, en lugar de utilizar luz láser infrarroja como los sistemas LiDAR típicos.
LiDAR basado en el espacio
La NASA y otras agencias espaciales utilizan LiDAR basado en el espacio para la navegación de naves espaciales y el mapeo digital de cuerpos celestes. LiDAR también se utiliza para conducir los vehículos autónomos de la NASA y el helicóptero Ingenuity en Marte.
LiDAR terrestre es un sistema terrestre que se utiliza con frecuencia para cartografiar el terreno y el paisaje. LiDAR terrestre puede utilizarse para recopilar datos más localizados a corta distancia, lo que lo hace ideal para cartografiar zonas más pequeñas con gran precisión.
Los tipos de LiDAR terrestre incluyen:
LiDAR estático
Algunos sistemas LiDAR terrestres son estáticos, se fijan en una única ubicación y se utilizan para realizar análisis LiDAR precisos y repetidos de una única zona. El LiDAR estático se utiliza a menudo para sitios arqueológicos, proyectos de construcción y evaluaciones de peligros. Puede monitorizar la superficie del suelo de volcanes activos, fallas sísmicas y zonas de inundación.
LiDAR móvil
El LiDAR móvil es una forma de LiDAR terrestre que recoge datos LiDAR desde un vehículo en movimiento. Los sistemas LiDAR móviles (MLS) son fundamentales para la industria de la automoción a la hora de desarrollar la asistencia al conductor y la conducción autónoma, puesto que la recopilación de datos mediante detección y alcance de luz en tiempo real permite a los vehículos de forma económica.
Los escáneres LiDAR tienen una amplia gama de usos en el mundo real en muchas industrias. Pueden crear modelos detallados del terreno de la superficie del suelo y el fondo marino y también producir visualizaciones precisas, de alta resolución y en tiempo real de objetos en movimiento.
Los sensores LiDAR pueden utilizarse para medir la topografía y el trazado de terrenos agrícolas, estimar la biomasa de los cultivos y detectar las propiedades del suelo cartografiando las variaciones de profundidad, pendiente, humedad y aspecto. LiDAR también se utiliza para pilotar vehículos agrícolas autónomos.
El LiDAR se utiliza para cartografiar el terreno, rastrear objetivos, buscar minas y obtener imágenes a través de las nubes, así como para planificar misiones mediante sofisticadas visualizaciones del campo de batalla, incluso en entornos urbanos densos.
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Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y los vehículos autónomos, como los coches autónomos, utilizan datos cartográficos LiDAR en 3D para "ver" y navegar por carreteras y otros entornos.
LiDAR puede utilizarse para medir con precisión la velocidad del viento y también se utiliza en los aeropuertos para rastrear aviones y objetos extraños.
LiDAR batimétrico utiliza luz láser verde para penetrar en el agua y crear modelos digitales de los fondos marinos costeros y fondos marinos marinos marinos de aguas poco profundas. Pueden medir la erosión, cartografiar los hábitats de la flora y la fauna y los riesgos en las zonas inundables.
LiDAR puede inspeccionar una obra con rapidez y precisión, calcular el volumen de materiales y utilizarse para realizar inspecciones de seguridad y detectar riesgos potenciales.
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La tecnología LiDAR se utiliza para la evaluación de recursos eólicos, la prospección de petróleo y gas y la gestión de la vegetación para el mantenimiento de líneas eléctricas.
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LiDAR se utiliza para cartografiar entornos en aplicaciones de realidad virtual y realidad aumentada.
Además de proporcionar mapas topográficos detallados, LiDAR puede utilizarse para medir las características estructurales de los árboles, como el índice de área foliar y el volumen de las copas. Es una valiosa herramienta para la gestión de la vegetación. También se utiliza para supervisar y contener incendios forestales.
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Dado que las minas y canteras son de difícil acceso, LiDAR se utiliza cada vez más para la topografía, la cartografía y la seguridad de los trabajadores. El análisis LiDAR también puede utilizarse para medir volúmenes en canteras.
La tecnología LiDAR se puede utilizar para crear modelos 3D de objetos para su uso en la fabricación. También se puede utilizar para el control de calidad para detectar anomalías y defectos.
LiDAR se utiliza para crear modelos digitales de elevación y cartografiar carreteras, puentes y otros accidentes estructurales o estructurales.
LiDAR puede utilizarse para explorar a través del dosel forestal y controlar la densidad, las especies y la salud de la vegetación y la vegetación, para identificar cualquier planta que pudiera suponer un alto riesgo para los servicios públicos y otras infraestructuras.
Los sensores LiDAR miden la temperatura, la nubosidad, la velocidad del viento, la densidad del aire y otros parámetros atmosféricos, proporcionando datos vitales para los modelos de previsión meteorológica.
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Los equipos de investigación desarrollan constantemente nuevos sistemas y algoritmos para aumentar la precisión, velocidad y eficacia del LiDAR. De momento, el desarrollo se centra en conseguir que la tecnología LiDAR sea más pequeña, ligera y asequible. Esto permitiría una adopción más amplia en diversos sectores, como la robótica y los dispositivos domésticos inteligentes. LiDAR es cada vez más popular en los vehículos autónomos y se espera que desempeñe un papel importante en el futuro del automóvil.
A medida que la tecnología siga mejorando y los costes disminuyan, es probable que los usos de LiDAR aumenten drásticamente.
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Notas a pie de página
1David Edwards, "On the Way to Solving the Big Data Problem in Autonomous Driving" (enlace externo a ibm.com), Robótica y automatización, 21 de julio de 2022