Qué es y cómo funciona un LIDAR

Light Detection and Ranging o Laser Imaging Detection and Ranging son el resultado de deshacer el acrónimo en inglés de LIDAR, que se ha puesto en boca de todos en los últimos tiempos con el lanzamiento al mercado del nuevo iPhone 12 de Apple. Sin embargo este potente sistema lleva usándose desde hace gran cantidad de años con el objetivo, entre otras muchas cosas, de desarrollar Modelos Digitales de Elevación (MDE o DEM, por sus siglas en inglés).

En este artículo vamos a explicarte qué es y cómo funciona un LIDAR, pero además vamos a conocer los tipos de LIDAR que existen, que aplicaciones principales tienes y que productos se pueden obtener al realizar un trabajo con este sistema. Y es que aunque te hagan creer que un LIDAR sirve para darle detalle a tus fotografías, tal y como dice Apple, esa es solo la menor de sus aplicaciones en la vida real.

¿Qué es un LIDAR?

Un sistema LIDAR es un sistema, de una enorme potencia, formado por tres tecnologías;

• Lásers
• Sistema de posicionamiento global o GPS por sus siglas en inglés
• Sistema de navegación Inercial, también conocido como INS

Este sistema formado por estas tres tecnologías nos permite calcular la distancia desde el propio dispositivo, generalmente montado sobre un avión, avioneta o helicóptero, a cualquier objeto o superficie. El funcionamiento es realmente sencillo, y es que un haz de láser pulsado sale del dispositivo LIDAR hasta el objeto o superficie que queremos medir, y rebota hasta volver al dispositivo, pudiéndose calcular de esta forma la distancia existente entre ellos.

Sin adentrarnos en operaciones matemáticas, podemos deciros que para ello intervendrá el tiempo de retraso que dicho pulso láser tarda en llegar al objeto o superficie y la velocidad de la luz, que es un dato conocido. Es importante además tener en cuenta que el pulso láser irá y volverá del objeto.

Esta operación permite el desarrollo y creación de modelos digitales de elevación o MDE.

Componentes de un sistema LIDAR

A continuación os mostramos los componentes imprescindibles de cualquier sistema LIDAR;

• Medio aéreo. A pesar de que cualquier sistema LIDAR puede ser aerotransportado o terrestre, los primeros son mayoría. Para poder trabajar necesitaremos claro está un medio aéreo que puede ser desde un avión, pasando por un helicóptero y hasta llegar a un drone, cada vez más usados en Topografía. La elección del medio aéreo, depende en gran medida de la extensión del terreno sobre la que vayamos a trabajar, pero también del presupuesto del que dispongamos.
• Escáner láser aerotransportado (ALS). Esta es la parte fundamental de cualquier sistema LIDAR, y es que el escáner láser es el encargado de emitir los pulsos, gracias a los cuales se podrán calcular las distancias necesarias para la realización de cualquier proyecto posterior.
• GPS diferencial. Gracias a este componente podremos conocer en todo momento y situación la posición y altura del avión, dos datos imprescindibles en todo momento. Necesitaremos hacer uso de un receptor, que se encontrará ubicado en el avión, y además una o más estaciones de control que se situarán sobre el terreno, en puntos de coordenadas conocidas.
• Sistema de navegación inercial (INS). Gracias a este sistema podemos estar informados de los giros y de la trayectoria que ha seguido el avión, avioneta o helicóptero en cualquier momento
• Cámara de vídeo digital. Este elemento es opcional, pero uso es más que recomendable ya que nos permitirá tomar imágenes del terreno que nos permitirán después hacer una mejor interpretación de cualquier dato. La mayoría de sistemas LIDAR guardan un pequeño espacio para la colocación de una de estas cámaras, y que con ello quede perfectamente fija y anclada.

Cómo funciona un LIDAR

Ahora que ya sabemos los componentes de cualquier sistema LIDAR ha llegado el momento de conocer cómo funciona.

Tal y como hemos comentado anteriormente el funcionamiento de cualquier LIDAR se basa en la emisión de un único rayo láser, que se refleja sobre el terreno o cualquier objeto y regresa al punto inicial. El cálculo de la distancia existente entre el sistema y la superficie o el objeto, se realiza sabiendo el tiempo de viaje que el pulso láser tarda en ir y volver. Poniendo en juego el valor de la velocidad de la luz, un dato conocido, se puede calcular la distancia existente entre el sistema LIDAR y la superficie u objeto.

Además si combinamos el alcance del láser, el ángulo de salida del puso, la posición inicial desde el GPS y la orientación apoyándonos en el INS, podremos calcular las coordenadas X,Y,X de cualquier punto del objeto o superficie donde se haya reflejado cada uno de los pulsos emitidos.

Otro de los aspectos claves para entender el funcionamiento de un LIDAR es el número de pulsos que se emiten. La variación puede ir desde unos pocos pulsos por segundos a unas cuantas decenas de cientos por segundo, dependiendo en gran medida del número de datos que sean necesarios para poder realizar el modelo de elevación digital.

No existe un valor estándar de pulsos para realizar, ya que depende en gran medida de la zona, pero por ejemplo si se emiten 10.000 pulsos por segundo, tendremos registrados en total una vez acabado el trabajo 600.000 puntos por minuto. Si emitimos pulsos durante varios minutos, la zona quedará totalmente cubierta y tendremos datos suficientes para realizar cualquier tipo de modelo de elevación.

Otra de la ventaja que nos ofrecen los sistemas LIDAR son los registros de retornos múltiples desde el mismo pulso, es decir cada pulso registra varias posiciones en el objeto o superficie. Para entenderlo, un pulso emitido puede golpear sobre el terreno, en la copa de un árbol y en el tronco, registrándose tres retornos, cada uno con su posición X,Y,Z o lo que es lo mismo registrándose retornos múltiples.

Esta opción del LIDAR puede ser muy interesante ya que si se quiere realizar un modelo de elevación digital donde nos encontramos edificios, vegetación o cualquier otra cosa, es capaz de ofrecernos una nube de datos precisa y que nos permita hacernos una composición muy precisa y cercana a la realidad.

Antes de terminar este apartado donde hemos explicado cómo funciona un LIDAR, debemos de conocer cómo se comporta el rayo láser al llegar a diferentes objetos, algo fundamental para terminar de entender el funcionamiento de este sistema;

• Sobre una superficie sólida, ya sea el propio suelo o un edificio, el rayo del laser se va a reflejar sin ningún tipo de problema.
• Sobre el agua, nos encontramos con el gran problema de que el rayo sufre una reflexión especular. Esto supone que no existirán datos en esa zona, algo que podremos solucionar realizando una interpolación a partir de puntos del alrededor. También es posible utilizar datos batimétricos a los que podamos acceder.

• Sobre la vegetación nos encontramos con el problema de que puede no ser una superficie totalmente sólida. Por ejemplo una rama puede hacer que parte del rayo se refleje y vuelve al emisor, pero otra parte acabe llegando a la superficie y regresar al emisor. Lo positivo es que es posible realizar el guardado de ambos puntos generados, con sus respectivas coordenadas, donde es posible que solo se diferencien en la altura.

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Tipos de LIDAR

En la actualidad existe varios tipos de LIDAR, que se organiza primero dependiendo de si son aerotransportados o terrestres, y después dependiendo del tipo de laser que usen y del tipo de escaneado que se realice. A continuación repasamos todos y cada uno de los tipos, centrándonos en sus características principales;

LIDAR aerotransportado

En este tipo de LIDAR el sistema se instala en un avión o helicóptero para emitir los rayos láser desde el aire y que serán devueltos al emisor una vez hayan tocado la superficie.

Dentro de los LIDAR aerotransportados existen a su vez los LIDAR topográficos y los LIDAR batimétricos. El primero de ellos se utiliza para generar modelos de la superficie que se pueden utilizar para una enorme cantidad de aplicaciones. El LIDAR batimétrico nos permite penetrar en el agua y nos ayudará en gran medida a hacer modelos digitales del océano, mares o ríos o de complementar un modelo digital donde nos haya quedado una zona de agua si datos.

LIDAR terrestre

Abandonando las alturas nos encontramos con el LIDAR terrestre, que instalaremos sobre la superficie y que puede ser móvil o estático. En el caso de que el LIDAR sea móvil este se acoplará a un coche, un tren o un barco para realizar desde él la toma de datos. El LIDAR estático se monta sobre un trípode para la recogida de datos.

La ventaja que nos ofrece el LIDAR terrestre es que la recopilación de los datos es mucho más precisa que cualquier otro tipo de LIDAR. Además al estar nuestro sistema totalmente quieto la identificación de los objetos es mucho más precisa, pudiendo recoger una enorme cantidad de puntos, a diferencia del sistema aerotransportado que solo permite un número de pasadas concreta, y por tanto una recolección de datos limitada.

Por el tipo de láser

LIDAR de medición de fase. Este tipo de LIDAR emite un haz láser continuo, es decir no emite pulsos por segundo, sino que lo hace de forma continua desde que iniciemos el proceso hasta que decidamos concluirlo. Para el calculo de la distancia se basa en medir la diferencia de fase entre la señal reflejada y la emitida. Una vez se conoce este dato solo debemos de calcular el número de longitud de ondas, enteras, que ha recorrido.

LIDAR de pulsos. Este es el método que ya hemos explicado en esta unidad, y que se base en la medición del tiempo que tarda en ir y volver un pulso de luz. El emisor emite continuamente pulsos de luz que equivalen a puntos, por ejemplo, del terreno.

Por el tipo de escaneado

De fibra óptica. Este tipo de LIDAR, tal y como puedes ver en la imagen que os mostramos forma un especie de circunferencias que se encuentran unas encima de otras. Esto se debe a que desde la fibra central de un cable de fibra óptica, y gracias a espejos de reducido tamaño, el haz del rato láser se desvía a las fibras laterales que se encuentran ubicadas alrededor del eje. Entre las ventajas de este sistema nos encontramos con que la velocidad de la toma de datos es mejor, gracias a los espejos, pero el ángulo de escaneado, también conocido como FOV, es menor que en los otros tipos de LIDAR.

Líneas. Este es posiblemente el tipo de LIDAR más simple y sencillo ya que se basa en realizar líneas parraleras sobre el objeto o superficie. Gracias a un espejo rotatorio se realiza la desviación del haz láser, lo que supone que al girar este espejo, siempre en una sola dirección, haya zonas donde no se realicen mediciones, a no ser que se realicen sucesivas pasadas hasta cubrir la totalidad de la superficie, algo realmente complicado y costoso a nivel económico en la mayoría de las ocasiones.

Zigzag. En este tipo de LIDAR la unifica diferencia que nos encontramos respecto al de líneas es que el espejo es rotatorio en dos sentidos, ida y vuelta. La ventaja que nos ofrece es que siempre está realizando mediciones al no tener que realizarse ningún giro del espejo, sin embargo al tener que cambiar de sentido de giro, se realizará una mayor medición de puntos en las zonas laterales donde se realiza el giro, que donde se realiza un vuelo continuo.

Elíptico o de Palmer. Con dos espejos se produce un patrón de escaneado elíptico, lo cual nos ofrece la posibilidad de que el terreno sea escaneado desde diferentes perspectivas. Sin embargo no es un tipo de LIDAR demasiado práctico ya que al tener dos espejos, para poder aprovecharlos de una forma plena es necesario tener dos medidores angulares con lo que ello conlleva.

Productos de los proyectos LIDAR

Como ya hemos visto cualquier proyecto LIDAR se divide en dos bloques diferenciados. El primero de ellos es la adquisición de los datos, y al segunda es el procesamiento de los mismos, con el que conseguiremos los productos finales.

Algunos de los más productos finales de cualquier proyecto LIDAR más importantes son los siguientes;

• Modelo Digital del Terreno (MDT). Este es posiblemente el producto final de un proyecto LIDAR más usado. Para su obtención deberemos de interpolar los puntos del último pulso, eliminando los puntos que no pertenezcan al terreno. Esto quiere decir que deberemos de eliminar cualquier tipo de construcción, vegetación y cualquier objeto que no sea propio del terreno.
• Modelo Digital de Superficie (MDS). Este modelo digital se obtiene interpolando los puntos del primer pulso. En este se pueden distinguir las alturas de edificios, vegetación y todo lo que pueda ser recogido en el proceso de adquisición de los datos.
• Nube de puntos, de origen irregular, y que corresponde con los puntos LIDAR que hemos recogido, sin procesarlos de ninguna forma.
• Clasificaciones de los diferentes puntos que pueden pertenecer al terreno, a la vegetación o a las edificios.
• Imagen de intensidades. Gracias a la amplitud de señal que vuelve al emisor después de rebotar en la superficie terrestre, obtenemos una imagen de intensidades que nos permite realizar diferencias entre superficies, algo que nos permite, por ejemplo, identificar las carreteras.

A partir de estos productos finales de un proyecto LIDAR es posible desarrollar otro tipo de productos, en la mayoría de ocasiones, de una mayor complejidad y que son muy usados para trabajos o proyectos muy concretos.

Aplicaciones del LIDAR

A continuación os mostramos algunas de las muchas aplicaciones que tiene el LIDAR en nuestros días;

Cartografía para estudios de inundaciones

Por desgracia para casi todos las inundaciones cada vez son más habituales, y en ellas juegan un papel fundamental el sistema LIDAR, pero sobre todos los modelos digitales de elevación del terreno que se puedan realizar.

Hasta hace muy poco tiempo se realizaban diferentes mediciones precisas de la altura del terreno con fotogrametría, que permitía generar cartografía de gran detalle a partir de imágenes aéreas, que a su vez después nos permitían la producción de modelos digitales del terreno. Esta técnica tiene un elevado coste y además para conseguir un modelo digital era necesario una gran inversión de tiempo.

La tecnología LIDAR permite crear modelos digitales de elevaciones, cubriendo grandes zonas de terreno, sin tener que gastar tantos recursos económicos y además pudiendo realizar un mejor trabajo. Con un solo vuelo es posible recoger una enorme cantidad de datos, siendo mucho más precisos ya que puede tener en cuenta, por ejemplo, la vegetación o los árboles. Además al trabajar con un sensor activo es posible realizar vuelos de recogida de datos, tanto de día como de noche, lo cual sin duda alguna acelera los tiempos de entrega.

Mantenimiento de líneas eléctricas

El mantenimiento de las líneas eléctricas de cualquier país es algo imprescindible y que se debe de llevar a cabo sin ningún tipo de condicionamiento. Para ello se utiliza un LIDAR montado en un helicóptero ya que este nos permitirá volar bajo y a poca velocidad, para poder medir con gran precisión todas las líneas de alta tensión sobre las que queramos realizar un mantenimiento.

El trabajo que se lleva a cabo es el de realizar mediciones sobre los cables, pero también sobre el suelo. El primer reflejo de pulso que recibe es el que ha tocado el cable eléctrico y el segundo el suelo.

Gracia a estos estudios se puede saber por ejemplo si alguna rama de algún árbol se acerca demasiado a los cables de alta tensión y es necesario cortarlo. También sirve para detectar construcciones ilegales cerca de las torres de alta tensión a distancias menores a las permitidas o tener localizadas y delimitadas otras que si cumplen con las normas.

Actualización de cartografía digital existente

Otra de las aplicaciones más importantes de los LIDAR es la de la actualización de la cartografía digital existente. Y es que gracias a este sistema es posible extraer las curvas de nivel del MDT o la extracción de las alturas de los edificios. Con esto tendremos una cartografía más precisa y sobre todo detallada donde podremos consultar datos precisos de la altura de cualquier parte del terreno, incluidos todos los objetos que nos podamos encontrar.

Aplicaciones en zonas urbanas

En la zonas urbanas las aplicaciones de la tecnología LIDAR son enormes y es que su uso está muy extendido para todo tipo de planificaciones, de líneas eléctricas o de redes de telecomunicaciones entre otras muchas. Además se suele utilizar para detectar construcciones ilegales, realizar planes de emergencia o conocer la altura de todo lo que se encuentra en una ciudad, y es que gracias a esta tecnología podremos detectar desde la altura de las farolas, de los árboles, para saber si deben de ser talados o incluso de las personas que se mueven a diario por la ciudad.

En proyectos de ingeniería

Dentro de la ingeniería las aplicaciones de la tecnología LIDAR son incontables y es que se usa para proyectos de ingeniería civil como líneas de ferrocarril o carreteras. Además también se emplea en la creación de mapas de movimientos de tierras o mapas de ruido.

Telecomunicaciones

Hoy en día las telecomunicaciones mueven el mundo y son necesarias en cualquier rincón y lugar. Para poder instalaras en casi todas las ocasiones es necesario realizar un MDT de gran precisión y que nos ofrezca información exacta de las alturas de los edificios. Y no solo se usan para esto ya que también son válidos para otra gran cantidad de tecnicismos a la hora de instalar por ejemplo cables de fibra óptica.