Lidar ( / ˈ l aɪ d ɑːr / , también LIDAR , LiDAR o LADAR , acrónimo de "detección y alcance de luz" [1] o "imágenes, detección y alcance láser" [2] ) es un método para determinar rangos mediante apuntar a un objeto o una superficie con un láser y medir el tiempo que tarda la luz reflejada en regresar al receptor. Lidar puede operar en una dirección fija (por ejemplo, vertical) o puede escanear en múltiples direcciones, en cuyo caso se conoce como escaneo lidar o escaneo láser 3D , una combinación especial de escaneo 3D y escaneo láser . [3] Lidar tiene aplicaciones terrestres, aéreas y móviles. [4] [5]
Lidar se usa comúnmente para hacer mapas de alta resolución, con aplicaciones en topografía , geodesia , geomática , arqueología , geografía , geología , geomorfología , sismología , silvicultura , física atmosférica , [6] guía láser , mapeo de franjas láser aerotransportadas (ALSM) y altimetría láser . Se utiliza para realizar representaciones digitales en 3D de áreas de la superficie de la Tierra y del fondo del océano de la zona intermareal y cercana a la costa variando la longitud de onda de la luz. También se ha utilizado cada vez más en el control y la navegación de los coches autónomos [7] y del helicóptero Ingenuity en sus vuelos récord sobre el terreno de Marte . [8]
La evolución de la tecnología cuántica ha dado lugar a la aparición del Quantum LiDAR, que demuestra una mayor eficiencia y sensibilidad en comparación con los sistemas LiDAR convencionales. [9]
Bajo la dirección de Malcolm Stitch, Hughes Aircraft Company introdujo el primer sistema similar a un lidar en 1961, [10] [11] poco después de la invención del láser. Diseñado para el seguimiento de satélites, este sistema combina imágenes enfocadas por láser con la capacidad de calcular distancias midiendo el tiempo hasta que regresa una señal utilizando sensores y dispositivos electrónicos de adquisición de datos adecuados. Originalmente se llamó "Colidar", un acrónimo de "detección y alcance de luz coherente", [12] derivado del término " radar ", que en sí mismo es un acrónimo de "detección y alcance de radio". Todos [ cita necesaria ] telémetros láser , altímetros láser y unidades lidar se derivan de los primeros sistemas colidar.
La primera aplicación terrestre práctica de un sistema colidar fue el "Colidar Mark II", un gran telémetro láser similar a un rifle producido en 1963, que tenía un alcance de 11 km y una precisión de 4,5 m, para ser utilizado con objetivos militares. [13] [11] La primera mención de lidar como palabra independiente en 1963 sugiere que se originó como un acrónimo de " luz " y "radar": "Con el tiempo, el láser puede proporcionar un detector extremadamente sensible de longitudes de onda particulares desde lugares distantes". Mientras tanto, se está utilizando para estudiar la Luna mediante 'lidar' (radar de luz)..." [14] [15] El nombre " radar fotónico " se utiliza a veces para referirse a la determinación del rango del espectro visible como el lidar. [16] [17]
Las primeras aplicaciones de Lidar fueron en meteorología, donde el Centro Nacional de Investigación Atmosférica lo utilizó para medir las nubes y la contaminación. [18] El público en general se dio cuenta de la precisión y utilidad de los sistemas lidar en 1971 durante la misión Apolo 15 , cuando los astronautas utilizaron un altímetro láser para mapear la superficie de la Luna. Aunque el idioma inglés ya no trata "radar" como un acrónimo (es decir, sin mayúsculas), la palabra "lidar" se escribió con mayúscula como "LIDAR" o "LiDAR" en algunas publicaciones a partir de la década de 1980. No existe consenso sobre la capitalización. Varias publicaciones se refieren a lidar como "LIDAR", "LiDAR", "LIDaR" o "Lidar". El USGS utiliza tanto "LIDAR" como "lidar", a veces en el mismo documento; [19] el New York Times utiliza predominantemente "lidar" para los artículos escritos por su personal, [20] aunque las fuentes de noticias que contribuyen como Reuters pueden usar Lidar. [21]
Lidar utiliza luz ultravioleta , visible o infrarroja cercana para generar imágenes de objetos. Puede apuntar a una amplia gama de materiales, incluidos objetos no metálicos, rocas, lluvia, compuestos químicos, aerosoles , nubes e incluso moléculas individuales . [6] Un rayo láser estrecho puede mapear características físicas con resoluciones muy altas ; por ejemplo, un avión puede mapear el terreno con una resolución de 30 centímetros (12 pulgadas) o mejor. [22]
El concepto esencial de lidar fue originado por EH Synge en 1930, quien previó el uso de potentes reflectores para sondear la atmósfera. [23] [24] De hecho, desde entonces, lidar se ha utilizado ampliamente para la investigación atmosférica y la meteorología . Los instrumentos Lidar instalados en aviones y satélites realizan estudios y cartografía; un ejemplo reciente es el Lidar de investigación aerotransportada avanzada experimental del Servicio Geológico de EE. UU. [25] La NASA ha identificado el lidar como una tecnología clave para permitir el aterrizaje autónomo, preciso y seguro de futuros vehículos robóticos y tripulados de alunizaje. [26]
Las longitudes de onda varían para adaptarse al objetivo: desde unos 10 micrómetros ( infrarrojos ) hasta aproximadamente 250 nanómetros ( ultravioleta ). Normalmente, la luz se refleja mediante retrodispersión , a diferencia del reflejo puro que se puede encontrar en un espejo. Se utilizan diferentes tipos de dispersión para diferentes aplicaciones lidar: más comúnmente dispersión de Rayleigh , dispersión de Mie , dispersión Raman y fluorescencia . [6] Combinaciones adecuadas de longitudes de onda pueden permitir el mapeo remoto de contenidos atmosféricos mediante la identificación de cambios dependientes de la longitud de onda en la intensidad de la señal devuelta. [27] El nombre "radar fotónico" se utiliza a veces para referirse a la búsqueda de rango del espectro visible como lidar, [16] [17] aunque el radar fotónico se refiere más estrictamente a la búsqueda de rango de radiofrecuencia utilizando componentes fotónicos .
Un lidar determina la distancia de un objeto o una superficie con la fórmula : [28]
donde c es la velocidad de la luz , d es la distancia entre el detector y el objeto o superficie que se detecta, y t es el tiempo que tarda la luz láser en viajar hasta el objeto o superficie que se detecta y luego regresar al detector.
Los dos tipos de esquemas de detección lidar son "incoherentes" o detección de energía directa (que mide principalmente cambios de amplitud de la luz reflejada) y detección coherente (mejor para medir cambios Doppler o cambios en la fase de la luz reflejada). Los sistemas coherentes generalmente utilizan detección óptica heterodina . [29] Esto es más sensible que la detección directa y les permite operar a una potencia mucho menor, pero requiere transceptores más complejos.
Ambos tipos emplean modelos de pulso: micropulso o de alta energía . Los sistemas de micropulsos utilizan ráfagas intermitentes de energía. Se desarrollaron como resultado de la potencia informática cada vez mayor, combinada con avances en la tecnología láser. Utilizan considerablemente menos energía en el láser, normalmente del orden de un microjulio , y suelen ser "seguros para los ojos", lo que significa que pueden usarse sin precauciones de seguridad. Los sistemas de alta potencia son comunes en la investigación atmosférica, donde se utilizan ampliamente para medir parámetros atmosféricos: la altura, las capas y las densidades de las nubes, las propiedades de las partículas de las nubes ( coeficiente de extinción , coeficiente de retrodispersión, despolarización ), temperatura, presión, viento, humedad, y concentración de gases traza (ozono, metano, óxido nitroso, etc.). [6]
Los sistemas Lidar constan de varios componentes principales.
Los láseres de 600 a 1000 nm son los más comunes para aplicaciones no científicas. La potencia máxima del láser es limitada o se utiliza un sistema de apagado automático que apaga el láser en altitudes específicas para que sea seguro para los ojos de las personas en tierra.
Una alternativa común, los láseres de 1550 nm, son seguros para los ojos a niveles de potencia relativamente altos, ya que el ojo no absorbe fuertemente esta longitud de onda. Sin embargo, una desventaja es que la tecnología actual de los detectores es menos avanzada, por lo que estas longitudes de onda se utilizan generalmente en rangos más largos con menores precisiones. También se utilizan para aplicaciones militares porque los 1550 nm no son visibles en las gafas de visión nocturna , a diferencia del láser infrarrojo más corto de 1000 nm.
Los lidars de mapeo topográfico aéreo generalmente usan láseres YAG bombeados por diodos de 1064 nm , mientras que los sistemas batimétricos (investigación de profundidad submarina) generalmente usan láseres YAG bombeados por diodos de frecuencia duplicada de 532 nm porque 532 nm penetra en el agua con mucha menos atenuación que 1064 nm. La configuración del láser incluye la tasa de repetición del láser (que controla la velocidad de recopilación de datos). La longitud del pulso es generalmente un atributo de la longitud de la cavidad del láser, el número de pasadas requeridas a través del material de ganancia (YAG, YLF , etc.) y la velocidad del interruptor Q (pulsación). Se logra una mejor resolución del objetivo con pulsos más cortos, siempre que los detectores y la electrónica del receptor lidar tengan suficiente ancho de banda. [6]
Un conjunto en fase puede iluminar cualquier dirección mediante el uso de un conjunto microscópico de antenas individuales. Controlar la sincronización (fase) de cada antena dirige una señal cohesiva en una dirección específica.
Los sistemas en fase se han utilizado en radar desde la década de 1940. La misma técnica se puede utilizar con la luz. Se utilizan del orden de un millón de antenas ópticas para ver un patrón de radiación de cierto tamaño en una determinada dirección. El sistema se controla sincronizando el destello preciso. Un solo chip (o varios) reemplaza un sistema electromecánico de 75.000 dólares, lo que reduce drásticamente los costos. [30]
Varias empresas están trabajando en el desarrollo de unidades lidar comerciales de estado sólido. [31]
El sistema de control puede cambiar la forma de la lente para habilitar las funciones de acercar y alejar. Se pueden apuntar a subzonas específicas en intervalos de menos de un segundo. [30]
El lidar electromecánico tiene una duración de entre 1.000 y 2.000 horas. Por el contrario, el lidar de estado sólido puede funcionar durante 100.000 horas. [30]
Los espejos microelectromecánicos (MEMS) no son completamente de estado sólido. Sin embargo, su pequeño factor de forma proporciona muchos de los mismos beneficios de costos. Un único láser se dirige a un único espejo que puede reorientarse para ver cualquier parte del campo objetivo. El espejo gira a gran velocidad. Sin embargo, los sistemas MEMS generalmente operan en un solo plano (de izquierda a derecha). Para agregar una segunda dimensión generalmente se requiere un segundo espejo que se mueva hacia arriba y hacia abajo. Alternativamente, otro láser puede impactar el mismo espejo desde otro ángulo. Los sistemas MEMS pueden verse afectados por golpes/vibraciones y pueden requerir calibraciones repetidas. [30]
La velocidad de revelado de las imágenes se ve afectada por la velocidad a la que se escanean. Las opciones para escanear el azimut y la elevación incluyen espejos planos oscilantes duales, una combinación con un espejo poligonal y un escáner de doble eje . Las opciones ópticas afectan la resolución angular y el rango que se puede detectar. Un espejo perforado o un divisor de haz son opciones para recoger una señal de retorno.
En lidar se utilizan dos tecnologías de fotodetectores principales : fotodetectores de estado sólido , como fotodiodos de avalancha de silicio , o fotomultiplicadores . La sensibilidad del receptor es otro parámetro que debe equilibrarse en un diseño lidar.
Los sensores Lidar montados en plataformas móviles como aviones o satélites requieren instrumentación para determinar la posición absoluta y la orientación del sensor. Dichos dispositivos generalmente incluyen un receptor del Sistema de Posicionamiento Global y una unidad de medición inercial (IMU).
Lidar utiliza sensores activos que suministran su propia fuente de iluminación. La fuente de energía golpea objetos y la energía reflejada es detectada y medida por sensores. La distancia al objeto se determina registrando el tiempo entre los pulsos transmitidos y retrodispersados y utilizando la velocidad de la luz para calcular la distancia recorrida. [32] El flash lidar permite obtener imágenes tridimensionales debido a la capacidad de la cámara para emitir un flash más grande y detectar las relaciones espaciales y las dimensiones del área de interés con la energía devuelta. Esto permite obtener imágenes más precisas porque no es necesario unir los fotogramas capturados y el sistema no es sensible al movimiento de la plataforma. Esto da como resultado una menor distorsión. [33]
Las imágenes tridimensionales se pueden lograr utilizando sistemas de escaneo y sin escaneo. El "radar láser de visualización con puerta 3D" es un sistema de alcance láser sin escaneo que aplica un láser pulsado y una cámara con puerta rápida. Se han iniciado investigaciones para la dirección virtual del haz utilizando la tecnología de procesamiento digital de luz (DLP).
La obtención de imágenes lidar también se puede realizar utilizando conjuntos de detectores de alta velocidad y conjuntos de detectores sensibles a la modulación, normalmente construidos en chips individuales utilizando técnicas de fabricación complementarias de semiconductores de óxido metálico (CMOS) y híbridas CMOS/ dispositivos de carga acoplada (CCD). En estos dispositivos, cada píxel realiza algún procesamiento local, como demodulación o compuerta a alta velocidad, convirtiendo las señales a velocidad de video para que la matriz pueda leerse como una cámara. Utilizando esta técnica se pueden adquirir simultáneamente muchos miles de píxeles/canales. [34] Las cámaras lidar 3-D de alta resolución utilizan detección homodina con un obturador electrónico CCD o CMOS . [35]
Un lidar de imágenes coherentes utiliza detección heterodina de matriz sintética para permitir que un receptor de un solo elemento que mira fijamente actúe como si fuera una matriz de imágenes. [36]
En 2014, el Laboratorio Lincoln anunció un nuevo chip de imágenes con más de 16.384 píxeles, cada uno de los cuales es capaz de capturar un solo fotón, lo que les permite capturar un área amplia en una sola imagen. Una generación anterior de la tecnología con una cuarta parte de píxeles fue enviada por el ejército estadounidense después del terremoto de Haití de enero de 2010. Un solo paso de un avión comercial a 3.000 m (10.000 pies) sobre Puerto Príncipe fue capaz de capturar instantáneas instantáneas de 600 m (2.000 pies) de cuadrados de la ciudad con una resolución de 30 cm (1 pie), mostrando la altura exacta de los escombros esparcidos en las calles de la ciudad. [37] El nuevo sistema es diez veces mejor y podría producir mapas mucho más grandes más rápidamente. El chip utiliza arseniuro de indio y galio (InGaAs), que opera en el espectro infrarrojo a una longitud de onda relativamente larga que permite mayor potencia y rangos más largos. En muchas aplicaciones, como los vehículos autónomos, el nuevo sistema reducirá los costos al no requerir un componente mecánico para apuntar el chip. InGaAs utiliza longitudes de onda menos peligrosas que los detectores de silicio convencionales, que funcionan en longitudes de onda visuales. [38] Las nuevas tecnologías para el conteo LIDAR de fotón único infrarrojo están avanzando rápidamente, incluidas matrices y cámaras en una variedad de plataformas semiconductoras y superconductoras . [39]
En el flash lidar, todo el campo de visión se ilumina con un haz láser amplio y divergente en un solo pulso. Esto contrasta con el lidar de escaneo convencional, que utiliza un rayo láser colimado que ilumina un solo punto a la vez, y el rayo se escanea en forma de trama para iluminar el campo de visión punto por punto. Este método de iluminación también requiere un esquema de detección diferente. Tanto en el escaneo como en el lidar con flash, se utiliza una cámara de tiempo de vuelo para recopilar información sobre la ubicación tridimensional y la intensidad de la luz que incide sobre ella en cada cuadro. Sin embargo, en el lidar de escaneo, esta cámara contiene solo un sensor puntual, mientras que en el lidar de flash, la cámara contiene una matriz de sensores 1-D o 2-D , cada píxel del cual recopila información de intensidad y ubicación en 3-D. En ambos casos, la información de profundidad se recopila utilizando el tiempo de vuelo del pulso láser (es decir, el tiempo que tarda cada pulso láser en alcanzar el objetivo y regresar al sensor), lo que requiere la pulsación del láser y la adquisición por parte del cámara que se va a sincronizar. [40] El resultado es una cámara que toma fotografías de distancia, en lugar de colores. [30] El lidar flash es especialmente ventajoso, en comparación con el lidar de escaneo, cuando la cámara, la escena o ambas están en movimiento, ya que toda la escena se ilumina al mismo tiempo. Con el escaneo lidar, el movimiento puede causar "nerviosismo" en el lapso de tiempo a medida que el láser se desplaza sobre la escena.
Como ocurre con todas las formas de lidar, la fuente de iluminación incorporada hace que el flash lidar sea un sensor activo. La señal que se devuelve se procesa mediante algoritmos integrados para producir una representación tridimensional casi instantánea de objetos y características del terreno dentro del campo de visión del sensor. [41] La frecuencia de repetición del pulso láser es suficiente para generar videos 3-D con alta resolución y precisión. [40] [42] La alta velocidad de cuadros del sensor lo convierte en una herramienta útil para una variedad de aplicaciones que se benefician de la visualización en tiempo real, como operaciones de aterrizaje remoto de alta precisión. [43] Al devolver inmediatamente una malla de elevación tridimensional de los paisajes objetivo, se puede utilizar un sensor de flash para identificar zonas de aterrizaje óptimas en escenarios de aterrizaje de naves espaciales autónomas. [44]
Ver a distancia requiere un poderoso estallido de luz. El poder se limita a niveles que no dañan las retinas humanas. Las longitudes de onda no deben afectar al ojo humano. Sin embargo, los lectores de imágenes de silicio de bajo costo no leen la luz en el espectro seguro para los ojos. En su lugar, se necesitan generadores de imágenes de arseniuro de galio , lo que puede aumentar los costos a 200.000 dólares. [30] El arseniuro de galio es el mismo compuesto que se utiliza para producir paneles solares de alto costo y alta eficiencia que generalmente se usan en aplicaciones espaciales.
Lidar puede orientarse hacia el nadir , el cenit o lateralmente. Por ejemplo, los altímetros lidar miran hacia abajo, un lidar atmosférico mira hacia arriba y los sistemas para evitar colisiones basados en lidar miran hacia los lados.
Las proyecciones láser de lidars se pueden manipular utilizando varios métodos y mecanismos para producir un efecto de escaneo: el tipo de husillo estándar, que gira para brindar una vista de 360 grados; lidar de estado sólido, que tiene un campo de visión fijo, pero sin partes móviles, y puede usar MEMS o conjuntos ópticos en fase para dirigir los haces; y flash lidar, que propaga un destello de luz sobre un amplio campo de visión antes de que la señal rebote en un detector. [45]
Las aplicaciones Lidar se pueden dividir en tipos aéreos y terrestres. [46] Los dos tipos requieren escáneres con diferentes especificaciones según el propósito de los datos, el tamaño del área a capturar, el rango de medición deseado, el costo del equipo y más. También son posibles plataformas espaciales, véase altimetría láser por satélite .
El lidar aerotransportado (también escaneo láser aerotransportado ) ocurre cuando un escáner láser, mientras está conectado a una aeronave durante el vuelo, crea un modelo de nube de puntos tridimensional del paisaje. Este es actualmente el método más detallado y preciso para crear modelos digitales de elevación , reemplazando a la fotogrametría . Una ventaja importante en comparación con la fotogrametría es la capacidad de filtrar los reflejos de la vegetación del modelo de nube de puntos para crear un modelo digital del terreno que representa superficies del terreno como ríos, caminos, sitios del patrimonio cultural, etc., que están ocultos por los árboles. Dentro de la categoría de LIDAR aerotransportado, a veces se hace una distinción entre aplicaciones de alta y baja altitud, pero la principal diferencia es una reducción tanto en la precisión como en la densidad de puntos de los datos adquiridos en altitudes más altas. El lidar aéreo también se puede utilizar para crear modelos batimétricos en aguas poco profundas. [47]
Los principales componentes del lidar aerotransportado incluyen modelos digitales de elevación (DEM) y modelos digitales de superficie (DSM). Los puntos y los puntos de tierra son los vectores de puntos discretos, mientras que DEM y DSM son cuadrículas ráster interpoladas de puntos discretos. El proceso también implica la captura de fotografías aéreas digitales. Para interpretar deslizamientos de tierra profundos, por ejemplo, bajo la cobertura de vegetación, escarpes, grietas de tensión o árboles inclinados, se utiliza lidar aéreo. Los modelos de elevación digitales lidar aéreos pueden ver a través del dosel de la cubierta forestal, realizar mediciones detalladas de escarpes, erosión e inclinación de postes eléctricos. [48]
Los datos LIDAR aéreos se procesan utilizando una caja de herramientas llamada Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS) [49] para el filtrado de datos LIDAR y el software de estudio del terreno. Los datos se interpolan a modelos digitales del terreno utilizando el software. El láser se dirige a la región que se va a mapear y la altura de cada punto sobre el suelo se calcula restando la coordenada z original de la elevación del modelo digital del terreno correspondiente. A partir de esta altura sobre el suelo se obtienen los datos de no vegetación que pueden incluir objetos como edificios, líneas eléctricas, pájaros voladores, insectos, etc. El resto de los puntos se tratan como vegetación y se utilizan para modelado y mapeo. Dentro de cada uno de estos gráficos, las métricas lidar se calculan calculando estadísticas como media, desviación estándar, asimetría, percentiles, media cuadrática, etc. [49]
Actualmente se encuentran en el mercado múltiples sistemas lidar comerciales para vehículos aéreos no tripulados . Estas plataformas pueden escanear sistemáticamente grandes áreas o proporcionar una alternativa más económica a los aviones tripulados para operaciones de escaneo más pequeñas. [50]
El sistema tecnológico batimétrico lidar aerotransportado implica la medición del tiempo que tarda una señal desde una fuente hasta su regreso al sensor. La técnica de adquisición de datos implica un componente de mapeo del fondo marino y un componente de verdad del terreno que incluye transectos de video y muestreo. Funciona mediante un rayo láser de espectro verde (532 nm). [51] Se proyectan dos rayos sobre un espejo que gira rápidamente, lo que crea una serie de puntos. Uno de los rayos penetra en el agua y detecta también la superficie del fondo del agua en condiciones favorables.
La profundidad del agua medible mediante lidar depende de la claridad del agua y de la absorción de la longitud de onda utilizada. El agua es más transparente a la luz verde y azul, por lo que éstas penetrarán más profundamente en agua limpia. [52] La luz azul-verde de 532 nm producida por una salida de láser IR de estado sólido de frecuencia duplicada es el estándar para la batimetría aérea. Esta luz puede penetrar el agua, pero la fuerza del pulso se atenúa exponencialmente con la distancia recorrida a través del agua. [51] Lidar puede medir profundidades de aproximadamente 0,9 a 40 m (3 a 131 pies), con una precisión vertical del orden de 15 cm (6 pulgadas). La reflexión de la superficie hace que el agua a menos de 0,9 m (3 pies) sea difícil de resolver y la absorción limita la profundidad máxima. La turbidez provoca dispersión y tiene un papel importante en la determinación de la profundidad máxima que se puede resolver en la mayoría de situaciones, y los pigmentos disueltos pueden aumentar la absorción según la longitud de onda. [52] Otros informes indican que la penetración del agua tiende a ser entre dos y tres veces la profundidad de Secchi. El lidar batimétrico es más útil en el rango de profundidad de 0 a 10 m (0 a 33 pies) en la cartografía costera. [51]
En promedio, en agua de mar costera bastante clara, el lidar puede penetrar hasta unos 7 m (23 pies) y en aguas turbias hasta unos 3 m (10 pies). Un valor promedio encontrado por Saputra et al, 2021 es que la luz láser verde penetra en el agua entre una y media y dos veces la profundidad de Secchi en aguas de Indonesia. La temperatura y la salinidad del agua tienen un efecto sobre el índice de refracción, que tiene un pequeño efecto sobre el cálculo de la profundidad. [53]
Los datos obtenidos muestran la extensión total de la superficie terrestre expuesta sobre el fondo marino. Esta técnica es extremadamente útil ya que desempeñará un papel importante en el principal programa de cartografía del fondo marino. El mapeo arroja topografía terrestre y elevaciones submarinas. La obtención de imágenes de reflectancia del fondo marino es otra solución de este sistema que puede beneficiar el mapeo de hábitats submarinos. Esta técnica se ha utilizado para mapear imágenes tridimensionales de las aguas de California utilizando un lidar hidrográfico. [54]
Los sistemas lidar aéreos tradicionalmente sólo podían adquirir unos pocos rendimientos máximos, mientras que los sistemas más recientes adquieren y digitalizan toda la señal reflejada. [55] Los científicos analizaron la señal de forma de onda para extraer rendimientos máximos mediante descomposición gaussiana. [56] Zhuang et al, 2017 utilizaron este enfoque para estimar la biomasa aérea. [57] Manejar enormes cantidades de datos de forma de onda completa es difícil. Por lo tanto, la descomposición gaussiana de las formas de onda es efectiva, ya que reduce los datos y está respaldada por flujos de trabajo existentes que respaldan la interpretación de nubes de puntos tridimensionales . Estudios recientes investigaron la voxelización . Las intensidades de las muestras de forma de onda se insertan en un espacio voxelizado (imagen tridimensional en escala de grises) creando una representación tridimensional del área escaneada. [55] Luego se pueden extraer métricas e información relacionadas de ese espacio voxelizado. La información estructural se puede extraer utilizando métricas tridimensionales de áreas locales y hay un estudio de caso que utilizó el enfoque de voxelización para detectar árboles de eucalipto muertos en Australia. [58]
Las aplicaciones terrestres de lidar (también escaneo láser terrestre ) ocurren en la superficie de la Tierra y pueden ser estacionarias o móviles. El escaneo terrestre estacionario es más común como método de estudio, por ejemplo en topografía convencional, monitoreo, documentación del patrimonio cultural y ciencia forense. [46] Las nubes de puntos tridimensionales adquiridas con este tipo de escáneres se pueden comparar con imágenes digitales tomadas del área escaneada desde la ubicación del escáner para crear modelos tridimensionales de apariencia realista en un tiempo relativamente corto en comparación con otras tecnologías. A cada punto de la nube de puntos se le asigna el color del píxel de la imagen tomada en la misma ubicación y dirección que el rayo láser que creó el punto.
El lidar móvil (también escaneo láser móvil ) se produce cuando se conectan dos o más escáneres a un vehículo en movimiento para recopilar datos a lo largo de un camino. Estos escáneres casi siempre están emparejados con otros tipos de equipos, incluidos receptores GNSS e IMU . Un ejemplo de aplicación es el levantamiento de calles, donde se deben tener en cuenta las líneas eléctricas, la altura exacta de los puentes, los árboles circundantes, etc. En lugar de recopilar cada una de estas mediciones individualmente en el campo con un taquímetro , se puede crear un modelo 3D a partir de una nube de puntos donde se pueden realizar todas las mediciones necesarias, dependiendo de la calidad de los datos recopilados. Esto elimina el problema de olvidarse de tomar una medición, siempre que el modelo esté disponible, sea confiable y tenga un nivel adecuado de precisión.
El mapeo lidar terrestre implica un proceso de generación de mapas de cuadrícula de ocupación . El proceso implica una serie de celdas divididas en cuadrículas que emplean un proceso para almacenar los valores de altura cuando los datos LIDAR caen en la celda de la cuadrícula respectiva. Luego se crea un mapa binario aplicando un umbral particular a los valores de las celdas para su posterior procesamiento. El siguiente paso es procesar la distancia radial y las coordenadas z de cada escaneo para identificar qué puntos 3D corresponden a cada una de las celdas de la cuadrícula especificadas que conducen al proceso de formación de datos. [59]
Existe una amplia variedad de aplicaciones lidar, además de las aplicaciones que se enumeran a continuación, como se menciona a menudo en los programas nacionales de conjuntos de datos lidar . Estas aplicaciones están determinadas en gran medida por el rango de detección efectiva de objetos; resolución, que es la precisión con la que el lidar identifica y clasifica objetos; y confusión de reflectancia, es decir, qué tan bien el lidar puede ver algo en presencia de objetos brillantes, como señales reflectantes o sol brillante. [45]
Las empresas están trabajando para reducir el coste de los sensores lidar, que actualmente oscila entre 1.200 y más de 12.000 dólares. Los precios más bajos harán que lidar sea más atractivo para nuevos mercados. [60]
Los robots agrícolas se han utilizado para una variedad de propósitos que van desde dispersiones de semillas y fertilizantes, técnicas de detección y exploración de cultivos para tareas de control de malezas.
Lidar puede ayudar a determinar dónde aplicar fertilizantes costosos. Puede crear un mapa topográfico de los campos y revelar las pendientes y la exposición al sol de las tierras de cultivo. Los investigadores del Servicio de Investigación Agrícola utilizaron estos datos topográficos con los resultados del rendimiento de las tierras agrícolas de años anteriores, para clasificar la tierra en zonas de alto, medio o bajo rendimiento. [61] Esto indica dónde aplicar fertilizante para maximizar el rendimiento.
Lidar ahora se utiliza para monitorear insectos en el campo. El uso de lidar puede detectar el movimiento y el comportamiento de insectos voladores individuales, con identificación hasta el sexo y la especie. [62] En 2017 se publicó una solicitud de patente sobre esta tecnología en Estados Unidos, Europa y China. [63]
Otra aplicación es el mapeo de cultivos en huertos y viñedos, para detectar el crecimiento del follaje y la necesidad de podas u otros mantenimientos, detectar variaciones en la producción de frutos o contar plantas.
Lidar es útil en situaciones en las que no se permite el uso de GNSS , como en huertos de frutos secos y frutos secos, donde el follaje provoca interferencias en los equipos agrícolas que, de otro modo, utilizarían una solución GNSS precisa. Los sensores Lidar pueden detectar y rastrear la posición relativa de hileras, plantas y otros marcadores para que los equipos agrícolas puedan continuar funcionando hasta que se restablezca una solución GNSS.
El control de malezas requiere identificar especies de plantas. Esto se puede hacer mediante el uso de lidar 3D y aprendizaje automático. [64] Lidar produce contornos de plantas como una "nube de puntos" con valores de rango y reflectancia. Estos datos se transforman y de ellos se extraen características. Si se conoce la especie, las características se agregan como datos nuevos. La especie se etiqueta y sus características se almacenan inicialmente como ejemplo para identificar la especie en el entorno real. Este método es eficiente porque utiliza un lidar de baja resolución y aprendizaje supervisado. Incluye un conjunto de características fáciles de calcular con características estadísticas comunes que son independientes del tamaño de la planta. [64]
Lidar tiene muchos usos en arqueología, incluida la planificación de campañas de campo, mapeo de características bajo el dosel del bosque y descripción general de características amplias y continuas que no se pueden distinguir del suelo. [65] Lidar puede producir conjuntos de datos de alta resolución de forma rápida y económica. Los productos derivados de Lidar se pueden integrar fácilmente en un Sistema de Información Geográfica (SIG) para su análisis e interpretación.
Lidar también puede ayudar a crear modelos de elevación digitales (DEM) de alta resolución de sitios arqueológicos que pueden revelar una microtopografía que de otro modo estaría oculta por la vegetación. La intensidad de la señal lidar devuelta se puede utilizar para detectar características enterradas bajo superficies planas con vegetación, como campos, especialmente cuando se mapea utilizando el espectro infrarrojo. La presencia de estas características afecta el crecimiento de las plantas y, por tanto, la cantidad de luz infrarroja reflejada. [66] Por ejemplo, en Fort Beauséjour – Sitio Histórico Nacional Fort Cumberland, Canadá, el lidar descubrió elementos arqueológicos relacionados con el asedio del Fuerte en 1755. Los elementos que no se podían distinguir en el terreno o mediante fotografías aéreas se identificaron mediante la superposición de colinas. Tonos del DEM creados con iluminación artificial desde varios ángulos. Otro ejemplo es el trabajo en Caracol de Arlen Chase y su esposa Diane Zaino Chase . [67] En 2012, se utilizó lidar para buscar la legendaria ciudad de La Ciudad Blanca o "Ciudad del Dios Mono" en la región de La Mosquitia de la selva hondureña. Durante un período de mapeo de siete días, se encontraron evidencias de estructuras hechas por el hombre. [68] [69] En junio de 2013, se anunció el redescubrimiento de la ciudad de Mahendraparvata . [70] En el sur de Nueva Inglaterra, el lidar se utilizó para revelar muros de piedra, cimientos de edificios, caminos abandonados y otras características del paisaje oscurecidas en fotografías aéreas por el denso dosel forestal de la región. [71] [72] [73] En Camboya, Damian Evans y Roland Fletcher utilizaron datos LIDAR para revelar cambios antropogénicos en el paisaje de Angkor. [74]
En 2012, lidar reveló que el asentamiento purépecha de Angamuco en Michoacán , México, tenía aproximadamente tantos edificios como el Manhattan actual; [75] mientras que en 2016, su uso en el mapeo de antiguas calzadas mayas en el norte de Guatemala, reveló 17 caminos elevados que unen la antigua ciudad de El Mirador con otros sitios. [76] [77] En 2018, los arqueólogos que utilizaron lidar descubrieron más de 60.000 estructuras artificiales en la Reserva de la Biosfera Maya , un "gran avance" que demostró que la civilización maya era mucho más grande de lo que se pensaba anteriormente. [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] En 2024, los arqueólogos que utilizaron lidar descubrieron los sitios del Valle de Upano . [89] [90]
Los vehículos autónomos pueden utilizar lidar para detectar y evitar obstáculos para navegar de forma segura a través de entornos. [7] [91] La introducción de lidar fue un hecho fundamental que fue el factor clave detrás de Stanley , el primer vehículo autónomo que completó con éxito el Gran Desafío DARPA . [92] La salida de la nube de puntos del sensor lidar proporciona los datos necesarios para que el software del robot determine dónde existen obstáculos potenciales en el entorno y dónde se encuentra el robot en relación con esos obstáculos potenciales. La Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART) de Singapur está desarrollando activamente tecnologías para vehículos lidar autónomos. [93]
Las primeras generaciones de sistemas de control de crucero adaptativo para automóviles utilizaban únicamente sensores lidar.
En los sistemas de transporte, para garantizar la seguridad del vehículo y de los pasajeros y desarrollar sistemas electrónicos que brinden asistencia al conductor, es esencial comprender el vehículo y su entorno. Los sistemas Lidar juegan un papel importante en la seguridad de los sistemas de transporte. Muchos sistemas electrónicos que aumentan la asistencia al conductor y la seguridad del vehículo, como el control de crucero adaptativo (ACC), la asistencia de frenado de emergencia y el sistema de frenos antibloqueo (ABS), dependen de la detección del entorno de un vehículo para actuar de forma autónoma o semiautónoma. El mapeo y la estimación Lidar logran esto.
Descripción general de los conceptos básicos: los sistemas lidar actuales utilizan espejos hexagonales giratorios que dividen el rayo láser. Las tres luces superiores se usan para vehículos y obstáculos adelante y las luces inferiores se usan para detectar marcas de carril y características de la carretera. [94] La principal ventaja de utilizar lidar es que se obtiene la estructura espacial y estos datos se pueden fusionar con otros sensores como el radar , etc. para obtener una mejor imagen del entorno del vehículo en términos de propiedades estáticas y dinámicas de los objetos. presente en el ambiente. Por el contrario, un problema importante con lidar es la dificultad para reconstruir datos de nubes de puntos en condiciones climáticas adversas. En caso de lluvia intensa, por ejemplo, los pulsos de luz emitidos por el sistema lidar se reflejan parcialmente en las gotas de lluvia, lo que añade ruido a los datos, llamado "ecos". [95]
A continuación se mencionan varios enfoques para procesar datos LIDAR y usarlos junto con datos de otros sensores mediante la fusión de sensores para detectar las condiciones ambientales del vehículo.
Este método propuesto por Kun Zhou et al. [96] no solo se centra en la detección y seguimiento de objetos, sino que también reconoce las marcas de carril y las características de la carretera. Como se mencionó anteriormente, los sistemas lidar utilizan espejos hexagonales giratorios que dividen el rayo láser en seis haces. Las tres capas superiores se utilizan para detectar objetos delanteros, como vehículos y objetos al borde de la carretera. El sensor está fabricado de material resistente a la intemperie. Los datos detectados por lidar se agrupan en varios segmentos y se rastrean mediante el filtro de Kalman . La agrupación de datos aquí se realiza en función de las características de cada segmento según el modelo de objeto, que distingue diferentes objetos como vehículos, letreros, etc. Estas características incluyen las dimensiones del objeto, etc. Los reflectores en los bordes traseros de los vehículos se utilizan para diferenciar vehículos de otros objetos. El seguimiento de objetos se realiza utilizando un filtro de Kalman de dos etapas que considera la estabilidad del seguimiento y el movimiento acelerado de los objetos [94]. Los datos de intensidad reflectante de Lidar también se utilizan para la detección de bordillos mediante el uso de una regresión robusta para abordar las oclusiones. La señalización vial se detecta mediante un método Otsu modificado que distingue superficies rugosas y brillantes. [97]
Los reflectores en la carretera que indican el borde del carril a veces están ocultos por diversas razones. Por tanto, se necesita otra información para reconocer el límite de la carretera. El lidar utilizado en este método puede medir la reflectividad del objeto. De ahí que con estos datos también se pueda reconocer el borde de la carretera. Además, el uso de un sensor con cabezal resistente a la intemperie ayuda a detectar objetos incluso en condiciones climáticas adversas. El modelo de altura del dosel antes y después de la inundación es un buen ejemplo. Lidar puede detectar datos muy detallados sobre la altura del dosel, así como el borde de la carretera.
Las mediciones Lidar ayudan a identificar la estructura espacial del obstáculo. Esto ayuda a distinguir objetos según su tamaño y estimar el impacto de pasar sobre ellos. [98]
Los sistemas Lidar proporcionan un mejor alcance y un amplio campo de visión que ayuda a detectar obstáculos en las curvas. Esta es una gran ventaja sobre los sistemas RADAR, que tienen un campo de visión más estrecho. La fusión de la medición lidar con diferentes sensores hace que el sistema sea robusto y útil en aplicaciones en tiempo real, ya que los sistemas dependientes de lidar no pueden estimar la información dinámica sobre el objeto detectado. [98]
Se ha demostrado que el lidar se puede manipular, de modo que se engaña a los coches autónomos para que realicen acciones evasivas. [99]
Lidar también ha encontrado muchas aplicaciones para mapear paisajes naturales y gestionados, como bosques, humedales [100] y pastizales. Las alturas del dosel , las mediciones de biomasa y el área foliar se pueden estudiar utilizando sistemas lidar aéreos. [101] [102] [103] [104] De manera similar, muchas industrias, incluidas la de Energía y Ferrocarriles, y el Departamento de Transporte, también utilizan lidar como una forma más rápida de realizar encuestas. También se pueden generar mapas topográficos fácilmente a partir de LIDAR, incluso para uso recreativo, como en la producción de mapas de orientación . [105] Lidar también se ha aplicado para estimar y evaluar la biodiversidad de plantas, hongos y animales. [106] [107] [108] Utilizando algas marinas del sur de Nueva Zelanda, los datos de mapeo lidar costero se han comparado con evidencia genómica de la población para formular hipótesis sobre la ocurrencia y el momento de los eventos de levantamiento de terremotos prehistóricos. [109]
También se han aplicado sistemas Lidar para mejorar la gestión forestal. [111] Las mediciones se utilizan para realizar inventarios en parcelas forestales, así como para calcular la altura de los árboles individuales, el ancho y el diámetro de la copa. Otros análisis estadísticos utilizan datos LIDAR para estimar la información total de la parcela, como el volumen del dosel, las alturas media, mínima y máxima, la cobertura vegetal, la biomasa y la densidad de carbono. [110] Se utilizó lidar aéreo para mapear los incendios forestales en Australia a principios de 2020. Los datos se manipularon para ver la tierra desnuda e identificar la vegetación sana y quemada. [112]
Los mapas de elevación digitales de alta resolución generados por lidar aéreos y estacionarios han dado lugar a avances significativos en geomorfología (la rama de la geociencia que se ocupa del origen y la evolución de la topografía de la superficie de la Tierra). Las capacidades lidar para detectar características topográficas sutiles, como terrazas fluviales y orillas de canales fluviales, accidentes geográficos glaciares, [113] para medir la elevación de la superficie terrestre debajo del dosel vegetal, para resolver mejor las derivadas espaciales de la elevación y para detectar cambios de elevación entre repetición Las encuestas han permitido muchos estudios novedosos sobre los procesos físicos y químicos que dan forma a los paisajes. [114] En 2005, el Tour Ronde en el macizo del Mont Blanc se convirtió en la primera montaña alpina alta en la que se empleó lidar para monitorear la creciente ocurrencia de desprendimientos severos de rocas sobre grandes paredes rocosas supuestamente causadas por el cambio climático y la degradación del permafrost a gran altitud. . [115]
Lidar también se utiliza en geología estructural y geofísica como una combinación entre lidar aéreo y GNSS para la detección y estudio de fallas y para medir la elevación . [116] El resultado de las dos tecnologías puede producir modelos de elevación del terreno extremadamente precisos, modelos que incluso pueden medir la elevación del suelo a través de los árboles. Esta combinación se utilizó de manera más famosa para encontrar la ubicación de la falla de Seattle en Washington , Estados Unidos. [117] Esta combinación también mide el levantamiento en Mount St. Helens utilizando datos de antes y después del levantamiento de 2004. [118] Los sistemas lidar aéreos monitorean los glaciares y tienen la capacidad de detectar cantidades sutiles de crecimiento o disminución. Un sistema basado en satélites, el ICESat de la NASA , incluye un subsistema lidar para este propósito. El Mapeador Topográfico Aerotransportado de la NASA [119] también se utiliza ampliamente para monitorear los glaciares y realizar análisis de cambios costeros. La combinación también la utilizan los científicos del suelo al crear un estudio de suelos . El modelado detallado del terreno permite a los científicos del suelo ver cambios de pendiente y rupturas en la forma del terreno que indican patrones en las relaciones espaciales del suelo.
Inicialmente, el lidar para aplicaciones meteorológicas se construyó a partir de láseres de rubí poco después de la invención del láser y representa una de las primeras aplicaciones de la tecnología láser. Desde entonces, la tecnología Lidar ha ampliado enormemente su capacidad y los sistemas Lidar se utilizan para realizar una variedad de mediciones que incluyen perfilar nubes, medir vientos, estudiar aerosoles y cuantificar varios componentes atmosféricos. Los componentes atmosféricos pueden, a su vez, proporcionar información útil, incluida la presión superficial (midiendo la absorción de oxígeno o nitrógeno ), las emisiones de gases de efecto invernadero ( dióxido de carbono y metano ), la fotosíntesis (dióxido de carbono), los incendios ( monóxido de carbono ) y la humedad ( vapor de agua ). . Los lidars atmosféricos pueden ser terrestres, aéreos o satelitales, según el tipo de medición.
La teledetección atmosférica lidar funciona de dos maneras:
La retrodispersión de la atmósfera proporciona directamente una medida de las nubes y los aerosoles. Otras mediciones derivadas de la retrodispersión, como los vientos o los cristales de hielo de cirros, requieren una selección cuidadosa de la longitud de onda y/o la polarización detectada. El lidar Doppler y el lidar Doppler de Rayleigh se utilizan para medir la temperatura y la velocidad del viento a lo largo del haz midiendo la frecuencia de la luz retrodispersada. El ensanchamiento Doppler de gases en movimiento permite determinar propiedades mediante el cambio de frecuencia resultante. [120] Se han utilizado lidares de escaneo, como el HARLIE de escaneo cónico de la NASA , para medir la velocidad del viento atmosférico. [121] La misión eólica ADM-Aeolus de la ESA estará equipada con un sistema lidar Doppler para proporcionar mediciones globales de los perfiles verticales del viento. [122] En los Juegos Olímpicos de verano de 2008 se utilizó un sistema lidar Doppler para medir los campos de viento durante la competición de yates. [123]
Los sistemas lidar Doppler también están empezando a aplicarse con éxito en el sector de las energías renovables para adquirir datos sobre la velocidad del viento, la turbulencia, el giro del viento y la cizalladura del viento. Se utilizan sistemas de onda pulsada y continua. Los sistemas pulsados utilizan la sincronización de la señal para obtener una resolución de distancia vertical, mientras que los sistemas de onda continua dependen del enfoque del detector.
El término eólica se ha propuesto para describir el estudio colaborativo e interdisciplinario del viento mediante simulaciones computacionales de mecánica de fluidos y mediciones lidar Doppler. [124]
La reflexión del suelo de un lidar aéreo proporciona una medida de la reflectividad de la superficie (suponiendo que se conozca bien la transmitancia atmosférica) en la longitud de onda del lidar; sin embargo, la reflexión del suelo se utiliza normalmente para realizar mediciones de absorción de la atmósfera. Las mediciones de "Lidar de absorción diferencial" (DIAL) utilizan dos o más longitudes de onda estrechamente espaciadas (menos de 1 nm) para factorizar la reflectividad de la superficie, así como otras pérdidas de transmisión, ya que estos factores son relativamente insensibles a la longitud de onda. Cuando se sintonizan con las líneas de absorción apropiadas de un gas en particular, las mediciones DIAL se pueden usar para determinar la concentración (proporción de mezcla) de ese gas en particular en la atmósfera. Esto se conoce como enfoque de absorción diferencial de ruta integrada (IPDA), ya que es una medida de la absorción integrada a lo largo de toda la ruta lidar. Los lidars IPDA pueden ser pulsados [125] [126] o CW [127] y normalmente utilizan dos o más longitudes de onda. [128] Los lidars IPDA se han utilizado para la detección remota de dióxido de carbono [125] [126] [127] y metano. [129]
El lidar de matriz sintética permite obtener imágenes del lidar sin la necesidad de un detector de matriz. Se puede utilizar para obtener imágenes de velocimetría Doppler, imágenes con velocidad de fotogramas ultrarrápida (millones de fotogramas por segundo), así como para la reducción de manchas en lidar coherente. [36] Grant proporciona una extensa bibliografía lidar para aplicaciones atmosféricas e hidrosféricas. [130]
La policía utiliza pistolas de velocidad Lidar para medir la velocidad de los vehículos con el fin de hacer cumplir el límite de velocidad . [131] Además, se utiliza en ciencia forense para ayudar en las investigaciones de la escena del crimen. Se toman escaneos de una escena para registrar detalles exactos de la ubicación de los objetos, la sangre y otra información importante para su posterior revisión. Estos escaneos también se pueden utilizar para determinar la trayectoria de la bala en casos de tiroteos. [132]
Se sabe que existen pocas aplicaciones militares y que están clasificadas (como la medición de velocidad basada en lidar del misil de crucero nuclear furtivo AGM-129 ACM ), pero se está llevando a cabo una cantidad considerable de investigación sobre su uso para obtener imágenes. Los sistemas de mayor resolución recopilan suficientes detalles para identificar objetivos, como tanques . Ejemplos de aplicaciones militares de lidar incluyen el Sistema Aerotransportado de Detección de Minas Láser (ALMDS) para la guerra contra minas de Areté Associates. [133]
Un informe de la OTAN (RTO-TR-SET-098) evaluó las tecnologías potenciales para realizar detección de enfrentamiento para la discriminación de agentes de guerra biológica. Las tecnologías potenciales evaluadas fueron el infrarrojo de onda larga (LWIR), la dispersión diferencial (DISC) y la fluorescencia inducida por láser ultravioleta (UV-LIF). El informe concluyó que: Con base en los resultados de los sistemas lidar probados y discutidos anteriormente, el Grupo de Trabajo recomienda que la mejor opción para la aplicación a corto plazo (2008-2010) de sistemas de detección de separación es UV-LIF , [134 ] sin embargo, a largo plazo, otras técnicas, como la espectroscopia Raman de separación, pueden resultar útiles para la identificación de agentes de guerra biológica.
El lidar espectrométrico compacto de corto alcance basado en fluorescencia inducida por láser (LIF) abordaría la presencia de amenazas biológicas en forma de aerosol en lugares críticos interiores, semicerrados y al aire libre, como estadios, metros y aeropuertos. Esta capacidad casi en tiempo real permitiría la detección rápida de una liberación de bioaerosol y permitiría la implementación oportuna de medidas para proteger a los ocupantes y minimizar el alcance de la contaminación. [135]
El sistema de detección de enfrentamientos biológicos de largo alcance (LR-BSDS) fue desarrollado para el ejército de EE. UU. para proporcionar la advertencia más temprana posible de un ataque biológico. Se trata de un sistema aéreo transportado por helicóptero para detectar a larga distancia nubes de aerosoles sintéticos que contienen agentes biológicos y químicos. El LR-BSDS, con un alcance de detección de 30 km o más, se utilizó en junio de 1997. [136] Se utilizaron cinco unidades lidar producidas por la empresa alemana Sick AG para la detección de corto alcance en Stanley , el automóvil autónomo que ganó el premio de 2005. Gran Desafío DARPA .
Un Boeing AH-6 robótico realizó un vuelo totalmente autónomo en junio de 2010, incluida la evitación de obstáculos mediante lidar. [137] [138]
Para el cálculo de los volúmenes de mineral se realiza mediante escaneos periódicos (mensuales) en las áreas de extracción de mineral, y luego se comparan los datos de la superficie con el escaneo anterior. [139]
Los sensores Lidar también se pueden utilizar para detectar y evitar obstáculos en vehículos mineros robóticos, como en el Sistema de Transporte Autónomo Komatsu (AHS) [140] utilizado en la Mina del Futuro de Rio Tinto.
Una red mundial de observatorios utiliza lidares para medir la distancia a los reflectores colocados en la Luna , lo que permite medir la posición de la Luna con precisión milimétrica y realizar pruebas de relatividad general . MOLA , el altímetro láser en órbita de Marte , utilizó un instrumento lidar en un satélite en órbita de Marte (el Mars Global Surveyor de la NASA ) para producir un estudio topográfico global espectacularmente preciso del planeta rojo. Los altímetros láser produjeron modelos de elevación global de Marte, la Luna (Altímetro láser del orbitador lunar (LOLA)), Mercurio (Altímetro láser de mercurio (MLA)), Telémetro láser NEAR-Shoemaker (NLR). [141] Las misiones futuras también incluirán experimentos con altímetro láser, como el altímetro láser de Ganímedes (GALA), como parte de la misión Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE). [141]
En septiembre de 2008, el módulo Phoenix Lander de la NASA utilizó un LIDAR para detectar nieve en la atmósfera de Marte. [142]
En física atmosférica, el lidar se utiliza como instrumento de detección remota para medir las densidades de ciertos componentes de la atmósfera media y superior, como el potasio , el sodio o el nitrógeno y el oxígeno moleculares . Estas medidas se pueden utilizar para calcular temperaturas. Lidar también se puede utilizar para medir la velocidad del viento y proporcionar información sobre la distribución vertical de las partículas de aerosol . [143]
En las instalaciones de investigación de fusión nuclear JET , en el Reino Unido cerca de Abingdon, Oxfordshire , se utiliza lidar Thomson Scattering para determinar los perfiles de densidad electrónica y temperatura del plasma . [144]
Lidar se ha utilizado ampliamente en mecánica de rocas para la caracterización de macizos rocosos y la detección de cambios de pendiente. Algunas propiedades geomecánicas importantes del macizo rocoso se pueden extraer de las nubes de puntos tridimensionales obtenidas mediante el lidar. Algunas de estas propiedades son:
Algunas de estas propiedades se han utilizado para evaluar la calidad geomecánica del macizo rocoso mediante el índice RMR . Además, como las orientaciones de las discontinuidades se pueden extraer utilizando las metodologías existentes, es posible evaluar la calidad geomecánica de un talud de roca a través del índice SMR . [151] Además de esto, la comparación de diferentes nubes de puntos tridimensionales de una pendiente adquirida en diferentes momentos permite a los investigadores estudiar los cambios producidos en la escena durante este intervalo de tiempo como resultado de desprendimientos de rocas o cualquier otro proceso de deslizamiento de tierra. [152] [153] [154]
THOR es un láser diseñado para medir las condiciones atmosféricas de la Tierra. El láser entra en una capa de nubes [155] y mide el espesor del halo de retorno. El sensor tiene una apertura de fibra óptica con un ancho de 7+1 ⁄ 2 pulgadas (19 cm) que se utiliza para medir la luz de retorno.
La tecnología Lidar se utiliza en robótica para la percepción del entorno y la clasificación de objetos. [156] La capacidad de la tecnología lidar para proporcionar mapas de elevación tridimensionales del terreno, distancia al suelo de alta precisión y velocidad de aproximación puede permitir el aterrizaje seguro de vehículos robóticos y tripulados con un alto grado de precisión. [26] Lidar también se usa ampliamente en robótica para localización y mapeo simultáneos y está bien integrado en simuladores de robots. [157] Consulte la sección Militar anterior para obtener más ejemplos.
Lidar se utiliza cada vez más para determinar distancias y calcular la velocidad relativa de los elementos orbitales en operaciones de proximidad y mantenimiento de estaciones de naves espaciales . Lidar también se ha utilizado para estudios atmosféricos desde el espacio. Los pulsos cortos de luz láser emitidos desde una nave espacial pueden reflejarse en pequeñas partículas de la atmósfera y regresar a un telescopio alineado con el láser de la nave espacial. Al cronometrar con precisión el eco lidar y medir cuánta luz láser recibe el telescopio, los científicos pueden determinar con precisión la ubicación, distribución y naturaleza de las partículas. El resultado es una nueva herramienta revolucionaria para estudiar los componentes de la atmósfera, desde gotas de nubes hasta contaminantes industriales, que son difíciles de detectar por otros medios". [158] [159]
La altimetría láser se utiliza para crear mapas digitales de elevación de planetas, incluido el mapeo del altímetro láser orbital de Marte (MOLA), [160] el altímetro láser orbital lunar (LOLA) [161] y el mapeo del altímetro lunar (LALT) de la Luna. y el mapeo de Mercurio con el altímetro láser de mercurio (MLA). [162] También se utiliza para ayudar a navegar el helicóptero Ingenuity en sus vuelos récord sobre el terreno de Marte . [8]
Las empresas del campo de la teledetección utilizan sensores lidar aéreos. Se pueden utilizar para crear un MDT (Modelo Digital de Terreno) o DEM ( Modelo Digital de Elevación ); Esta es una práctica bastante común para áreas más grandes, ya que un avión puede adquirir de 3 a 4 km (2 a 2+Franjas de 1 ⁄ 2 milla) de ancho en un solo paso elevado. Se puede lograr una mayor precisión vertical por debajo de 50 mm (2 pulgadas) con un paso elevado más bajo, incluso en bosques, donde puede proporcionar la altura del dosel así como la elevación del suelo. Normalmente, se necesita un receptor GNSS configurado sobre un punto de control georeferenciado para vincular los datos con el WGS ( Sistema Geodésico Mundial ). [163]
Lidar también se utiliza en levantamientos hidrográficos . Dependiendo de la claridad del agua, el lidar puede medir profundidades de 0,9 a 40 m (3 a 131 pies) con una precisión vertical de 15 cm (6 pulgadas) y una precisión horizontal de 2,5 m (8 pies). [164]
Lidar se ha utilizado en la industria ferroviaria para generar informes sobre el estado de los activos para la gestión de activos y por parte de los departamentos de transporte para evaluar las condiciones de sus carreteras. CivilMaps.com es una empresa líder en el campo. [165] Lidar se ha utilizado en sistemas de control de crucero adaptativo (ACC) para automóviles. Sistemas como los de Siemens, Hella, Ouster y Cepton utilizan un dispositivo lidar montado en la parte delantera del vehículo, como el parachoques, para controlar la distancia entre el vehículo y cualquier vehículo que se encuentre delante de él. [166] En caso de que el vehículo que va delante desacelere o esté demasiado cerca, el ACC aplica los frenos para reducir la velocidad del vehículo. Cuando el camino está despejado, el ACC permite que el vehículo acelere a una velocidad preestablecida por el conductor. Consulte la sección Militar anterior para obtener más ejemplos. El Ceilómetro , un dispositivo basado en lidar, se utiliza en aeropuertos de todo el mundo para medir la altura de las nubes en las trayectorias de aproximación a las pistas. [167] [ cita necesaria ]
Lidar se puede utilizar para aumentar la producción de energía de los parques eólicos midiendo con precisión la velocidad del viento y la turbulencia del viento. [168] [169] Los sistemas lidar experimentales [170] [171] pueden montarse en la góndola [172] de una turbina eólica o integrarse en el rotor giratorio [173] para medir los vientos horizontales que se aproximan, [174] vientos en la estela de la turbina eólica, [175] y ajustar proactivamente las palas para proteger los componentes y aumentar la potencia. Lidar también se utiliza para caracterizar el recurso eólico incidente y compararlo con la producción de energía de la turbina eólica para verificar el rendimiento de la turbina eólica [176] midiendo la curva de potencia de la turbina eólica. [177] La optimización de parques eólicos puede considerarse un tema de eólica aplicada . Otro aspecto del lidar en la industria eólica es el uso de dinámica de fluidos computacional sobre superficies escaneadas por lidar para evaluar el potencial eólico, [178] que puede usarse para la ubicación óptima de los parques eólicos.
Lidar también se puede utilizar para ayudar a los planificadores y desarrolladores a optimizar los sistemas solares fotovoltaicos a nivel de la ciudad determinando los tejados apropiados [179] [180] y para determinar las pérdidas de sombra . [181] Los recientes esfuerzos de escaneo láser aéreo se han centrado en formas de estimar la cantidad de luz solar que incide en las fachadas verticales de los edificios, [182] o incorporando pérdidas de sombra más detalladas al considerar la influencia de la vegetación y el terreno circundante más grande. [183]
Los juegos de carreras de simulación recientes, como rFactor Pro , iRacing , Assetto Corsa y Project CARS, presentan cada vez más pistas de carreras reproducidas a partir de nubes de puntos tridimensionales adquiridas mediante estudios lidar, lo que da como resultado superficies replicadas con precisión centimétrica o milimétrica en el entorno tridimensional del juego. . [184] [185] [186]
El juego de exploración de 2017 Scanner Sombre , de Introversion Software , utiliza lidar como mecánica de juego fundamental.
En Build the Earth , lidar se utiliza para crear representaciones precisas del terreno en Minecraft para tener en cuenta cualquier error (principalmente relacionado con la elevación) en la generación predeterminada. El proceso de renderizar el terreno en Build the Earth está limitado por la cantidad de datos disponibles en la región, así como por la velocidad que se necesita para convertir el archivo en datos en bloque.
Se creía que el vídeo de la canción de 2007 " House of Cards " de Radiohead era el primer uso del escaneo láser 3-D en tiempo real para grabar un vídeo musical. Los datos de alcance en el vídeo no provienen completamente de un lidar, ya que también se utiliza un escaneo de luz estructurada. [187]
En 2020, Apple presentó la cuarta generación de iPad Pro con sensor lidar integrado en el módulo de cámara trasera , especialmente desarrollado para experiencias de realidad aumentada (AR). [188] La función se incluyó más tarde en la línea iPhone 12 Pro y en los modelos Pro posteriores. [189] En los dispositivos Apple, lidar potencia las imágenes en modo retrato con el modo nocturno, acelera el enfoque automático y mejora la precisión en la aplicación Medir .
En 2022, Wheel of Fortune comenzó a utilizar tecnología lidar para rastrear cuándo Vanna White mueve su mano sobre el tablero del rompecabezas para revelar letras. El primer episodio que tuvo esta tecnología fue en el estreno de la temporada 40. [190]
El desarrollo reciente de las tecnologías Structure From Motion (SFM) permite entregar imágenes y mapas tridimensionales basados en datos extraídos de fotografías visuales e IR. La elevación o los datos tridimensionales se extraen mediante múltiples pases paralelos sobre el área cartografiada, lo que produce imágenes visuales de luz y estructura tridimensional del mismo sensor, que a menudo es una cámara digital especialmente elegida y calibrada . [ cita necesaria ]
La visión estéreo por computadora se ha mostrado prometedora como alternativa al lidar para aplicaciones de corto alcance. [191]
Este artículo incorpora texto de esta fuente, que se encuentra en el dominio público .
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )