¿Qué es un sistema LiDAR?

De forma básica podemos decir que un sistema LiDAR (de sus siglas en inglés “Light Detection And Ranging”) es una tecnología que permite medir distancias desde un emisor láser a un objeto o superficie.

Es probable que hayas usado alguna vez un puntero láser, bien durante una conferencia para señalar puntos concretos de tu ponencia o bien para jugar con tu gato. La tecnología LiDAR funciona de forma similar. El puntero láser en tu mano sería el emisor que emite un haz de luz el cual  sería el punto rojo que es reflejado en los objetos (la pared de tu casa, el suelo, una mesa, etc.). 

Pero un dispositivo LiDAR no se queda ahí. El haz de luz rebota en los objetos (es reflejado) y vuelve al dispositivo (el puntero láser). El dispositivo entonces es capaz de medir el tiempo que tarda la luz en “viajar” desde tu mano hasta el objeto y volver, de ese modo es posible conocer a qué distancia se encuentra la superficie reflejada del dispositivo:

D = (V*t)/2

Donde la velocidad es 300.000 km/s (velocidad de la luz en el vacío). La distancia se divide entre 2 porque el haz de luz viaja del emisor al objeto y vuelve de nuevo al emisor.

¿Puntos o retornos?

El proceso anterior ocurre miles de veces por segundo, y cada vez que la luz toca un objeto o una superficie rebota y vuelve al dispositivo emisor registrando las coordenadas XYZ del punto exacto en el que rebotó la luz. 

Por tanto, lo que se obtiene con el LiDAR es una serie de retornos (vulgarmente conocidos como puntos) que dibujan la superficie de un objeto que puede ser desde una pieza de maquinaria industrial hasta una ciudad:

Pero, ¿Cómo sabemos dónde se encuentran esos “puntos” en el espacio? Hasta ahora hemos dicho que la tecnología LiDAR mide la distancia entre los objetos y el emisor, a la hora de representar tridimensionalmente una habitación usando un dispositivo LiDAR, esto nos podría valer. Conocida la posición en el espacio de tu mano con el puntero láser, podemos tener una referencia relativa a tu mano de dónde se encuentran los objetos en el habitáculo. 

Componentes de un sistema LiDAR

Ahora bien, ¿Qué pasa si lo que necesitamos es “capturar” tridimensionalmente una ciudad? En el caso del LiDAR aerotransportado, el puntero láser ya no estaría en nuestra mano, sería un emisor o scanner LiDAR en movimiento que iría sujeto a una plataforma instalada en un drone, helicóptero o avión. De poco nos servirá representar tridimensionalmente grandes superficies como una ciudad o un bosque si no conocemos la posición georreferenciada en el espacio de los árboles, edificios y demás mobiliario urbano.

En este caso, los dispositivos LiDAR van equipados con un GPS que sirve para conocer en cada momento la posición del emisor y de este modo saber exactamente las coordenadas de cada retorno del láser con precisiones centimétricas. 

Sin embargo, el GPS no es suficiente para obtener una alta precisión sobre la posición de los datos. Además es necesario un sistema llamado “IMU” de sus siglas en inglés “Inertial Measurement Unit” que se acopla al avión para registrar los giros, rotaciones e inclinaciones realizadas por el vehículo aéreo. 

Por último, gracias a un ordenador, los miles de millones de puntos capturados por un LiDAR son procesados y usando la información GPS y del IMU, podemos conocer y ajustar su posición real en el espacio y representar grandes extensiones de terreno mediante puntos o retornos.

Atributos de un retorno LiDAR

Hasta ahora hemos dicho que un sistema LiDAR captura puntos en el espacio con sus coordenadas XYZ, de este modo podemos georreferenciar los retornos para obtener modelos tridimensionales. 

Pero las coordenadas XYZ por sí solas, no aportan gran información. Imaginemos una ciudad cualquiera y todos los elementos que la componen (edificios de diferentes colores, zonas ajardinadas, asfalto, cuerpos de agua, árboles, etc.). El haz de luz (también conocido como pulso) rebota de manera diferente según los objetos que toca y de esta manera, cuando vuelve al receptor, almacena información sobre las características del objeto en el que ha rebotado. 

Por ejemplo, cuando el haz de luz choca con una azotea o contra el suelo, sólo devuelve un retorno (es decir, superficies compactas o sin vegetación). Sin embargo, en la vegetación, un mismo pulso puede devolver varios retornos, obteniendo puntos de las hojas de los árboles, las ramas y en último lugar del suelo. 

Así, conociendo el número de retorno, podemos “filtrar” los puntos para saber cuáles de ellos pertenecen a suelo desnudo o superficies compactas y cuales a vegetación. Es aquí donde radica el gran potencial del LiDAR.

Además, muchos sistemas LiDAR también son capaces de almacenar el valor de intensidad con el que el retorno ha rebotado, de este modo podemos diferenciar colores y materiales. Por ejemplo para diferenciar entre una carretera y suelo desnudo o incluso diferenciar la pintura sobre el asfalto. 

Por tanto ahora sabemos que un retorno almacena información sobre las coordenadas XYZ, la intensidad y el número de retorno. Esto por supuesto dependerá de las características y prestaciones del escáner utilizado. 

Muchos sistemas LiDAR, además permiten almacenar otros atributos necesarios para procesar los retornos de manera eficiente como por ejemplo el ángulo en el que el pulso fue “disparado” desde el emisor, el tiempo GPS, número de vuelo, posición del retorno respecto al barrido, etc. 

Por último, es necesario tener en cuenta que el haz de luz de muchos sistemas LiDAR (a excepción del LiDAR batimétrico) es absorbido por el agua y por tanto no genera retornos.

Principales usos del LiDAR

Ahora que sabemos lo que es un sistema LiDAR y la información que un retorno puede almacenar, es fácil imaginar el enorme potencial de esta herramienta de teledetección y sus múltiples utilidades.

Uno de los principales usos del LiDAR es obtener modelos digitales del terreno y modelos digitales de elevaciones de alta precisión. Gracias a la capacidad de penetración del LiDAR a través de la vegetación, es posible obtener modelos digitales que con otras técnicas de teledetección no sería posible.

Entre los múltiples usos del LiDAR destaca:

• Arqueología: La capacidad de penetración del LiDAR a través de la vegetación ha permitido encontrar desde ciudades ocultas en la selva hasta yacimientos romanos. 
• Hidrología: La alta resolución de los modelos digitales del terreno ayudan a crear mejores modelos predictivos de inundaciones, escorrentía, etc. 
• Ordenación del territorio: Los datos LiDAR también se pueden usar para el planeamiento urbano ya que nos permiten obtener una “fotografía” tridimensional del momento de la captura de las ciudades.
• Forestal: Uno de los usos más extendidos del LiDAR es para el Inventario Forestal y la Ordenación de Montes. 

Además de los usos anteriores, existen multitud de utilidades más en ingeniería civil, obras públicas, diseño y mantenimiento de tendidos eléctricos, modelado de instalaciones industriales, etc. 

En este artículo, hemos definido lo que es un sistema LiDAR, sus componentes y lo que podemos generar con él. Si deseas aprender a trabajar de manera eficiente con datos LiDAR, te interesará el siguiente curso de introducción al tratamiento de datos LiDAR.

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