Comprender los escáneres LiDAR
Los escáneres LiDAR se utilizan para capturar nubes de puntos 3D. Pero, ¿cómo funcionan? Esto y mucho más se explica en el siguiente artículo, que abarca el principio de funcionamiento de los distintos escáneres LiDAR y explica cómo se transforman las mediciones de distancia y se combinan en nubes de puntos 3D. Éstos constituyen la base de muchos productos de cartografía 3D utilizados para distintas aplicaciones industriales.
Introducción a los escáneres LiDAR
La tecnología LiDAR es una adquisición de geodatos que ha avanzado mucho en los últimos 25 años. Los escáneres LiDAR capturan nubes de puntos 3D, de las que se derivan otros productos 3D. Entre ellos se incluyen modelos de ciudades en 3D, redes irregulares triangulares (TIN), paisajes virtuales en 3D, Modelos Digitales de Elevación (DEM), etc. Se utilizan para muchas aplicaciones, como la prevención de inundaciones, la mejora de la seguridad vial, el análisis medioambiental y muchas otras.
Un escáner LiDAR es un dispositivo que adquiere rutinariamente nubes de puntos de millones o incluso miles de millones de puntos durante un solo levantamiento. Los escáneres LiDAR son sensores «activos» que emiten rayos láser para medir las distancias a los objetos sin contacto humano con ellos; «activo» significa que los propios sensores emiten energía electromagnética. Para más información sobre las distintas clasificaciones y dónde encaja el LiDAR, consulta este artículo.
Principales tipos de escáneres LiDAR
Hay dos tipos principales de escáneres LiDAR: aerotransportados y terrestres. Los escáneres LiDAR aerotransportados utilizan un dispositivo láser montado en un avión que mide el tiempo de viaje de los impulsos láser de ida y vuelta. En los últimos años, los UAV o drones han demostrado ser una tecnología fiable para capturar geodatos 3D. YellowScan está especializada en sistemas LiDAR para drones. Para más información sobre el uso de LiDAR en vehículos aéreos no tripulados, consulta este artículo.
El LiDAR estático terrestre utiliza un escáner LiDAR que permanece en una posición fija y estacionaria durante un proyecto de escaneado. Cuando un instrumento de escaneado utiliza una plataforma móvil en tierra, se utiliza el término «escaneado láser móvil».
Los términos escáner LiDAR y escáner láser suelen utilizarse indistintamente, pero hay una sutil diferencia entre ambos: LiDAR es un término más amplio que se refiere al uso de la tecnología láser para medir distancias y se utiliza en diversos contextos, incluidas las aplicaciones aéreas y terrestres. El término «escaneado láser» suele referirse específicamente al proceso de captura de formas y geometrías 3D detalladas de objetos o entornos, normalmente con equipos terrestres. Así pues, LiDAR es un término más amplio que escaneado láser, que también podría denominarse «LiDAR terrestre».
Escáner LiDAR aerotransportado
Escáner LiDAR terrestre
Componentes de un escáner LiDAR
Los escáneres LiDAR combinan una óptica de exploración, un emisor de impulsos láser y un receptor. Un sensor láser aerotransportado consta de un emisor de impulsos láser y una óptica de barrido para dirigir y distribuir los impulsos láser por la trayectoria de vuelo y un receptor. Un sistema de exploración combina tres componentes: un escáner LiDAR, un sistema de posicionamiento basado en el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) y un sistema de navegación inercial (INS). Un INS también se conoce con el nombre de «unidad de medición inercial» (IMU), que permite determinar la orientación del sensor respecto a un sistema de referencia.
La fuente láser de un escáner LiDAR transmite muchos impulsos láser por segundo; la óptica de escaneado sirve para dirigir y distribuir el láser a lo largo de una trayectoria de vuelo (en el caso de un sistema LiDAR aerotransportado). En el escaneado láser terrestre, los espejos giratorios distribuyen los haces láser sobre una escena de forma regular y controlada.
Principio de funcionamiento de los escáneres LiDAR
La unidad láser de un escáner LiDAR produce impulsos láser individuales o haces láser a altas frecuencias. Para captar una escena, los rayos láser deben distribuirse en dos direcciones, más o menos perpendiculares entre sí. Para el escaneado láser terrestre, normalmente serán las direcciones horizontal y vertical. El LiDAR aerotransportado funciona de forma similar al LiDAR terrestre, pero es más exigente, ya que hay que determinar múltiples parámetros de la orientación exterior mientras el sistema se desplaza por el aire. Para más información sobre cómo funciona el LiDAR, consulta este artículo.
El haz láser emitido por un escáner LiDAR mide la distancia a un objeto que el haz encuentra primero. Además del alcance, el escáner LiDAR registra datos adicionales, como el ángulo vertical y el ángulo horizontal del alcance. Las coordenadas esféricas 3D están relacionadas con el sistema de coordenadas del dispositivo de escaneado láser.
Se aplican múltiples transformaciones para pasar de coordenadas esféricas a coordenadas cartesianas 3D X, Y y Z relacionadas con el escáner láser, y finalmente a un sistema de coordenadas común para georreferenciar múltiples nubes de puntos. El estudio de una escena suele requerir escaneos desde distintas posiciones para cubrir objetos grandes. El software de procesamiento de nubes de puntos permite generar modelos digitales de elevación y crear modelos 3D (mapas 3D) de escenas exteriores e interiores.
Aplicaciones de los escáneres LiDAR
Los escáneres LiDAR se utilizan para diversas aplicaciones en todos los sectores, entre otras:
- Arqueología: El LiDAR se utiliza para reconstruir estructuras antiguas, descubrir patrones complejos y descubrir pistas sobre civilizaciones de hace mucho tiempo;
- La minería: El LiDAR se utiliza para realizar levantamientos topográficos detallados de yacimientos mineros, capturar datos de elevación de alta resolución y detectar incluso cambios sutiles en el terreno;
- Ingeniería de la construcción: La cartografía LiDAR guía el seguimiento del progreso de la construcción, la detección de colisiones y el análisis del emplazamiento;
- Silvicultura: el LiDAR aerotransportado se utiliza para modelizar la contaminación y ayudar a estimar la absorción de carbono;
- Modelado digital de ciudades: Las nubes de puntos 3D permiten crear gemelos digitales 3D o réplicas virtuales de ciudades enteras.
Para más información sobre cómo se utilizan los escáneres LiDAR en múltiples sectores, consulta este artículo.
Nube de puntos de un proyecto arqueológico
Nube de puntos para un proyecto de modelado digital de ciudades
Ventajas y limitaciones de los escáneres LiDAR
El LiDAR se compara a menudo con la fotogrametría y el radar. La fotogrametría y el LiDAR son tecnologías de adquisición de datos de nubes de puntos 3D. Pero su metodología para capturar y crear nubes de puntos 3D es diferente: mientras que el LiDAR utiliza impulsos láser para medir la distancia a un objeto cercano al dispositivo de exploración y crear nubes de puntos 3D, la fotogrametría utiliza imágenes superpuestas como base para ello. El radar utiliza ondas de radio que se transmiten desde una antena giratoria o fija y mide el tiempo de vuelo de la señal reflejada.
Éstas son algunas de las ventajas de los escáneres LiDAR en comparación con la fotogrametría, que es otra tecnología de adquisición de nubes de puntos 3D, así como con el radar:
- Los escáneres LiDAR capturan nubes de puntos 3D directamente, mientras que la fotogrametría requiere un paso intermedio adicional para convertir las imágenes en nubes de puntos 3D;
- El LiDAR funciona bien en la oscuridad, ya que no necesita una fuente de luz externa, lo que significa que los datos pueden captarse 24 horas al día, 7 días a la semana;
- El LiDAR se presta mejor a la cartografía 3D que el radar, debido a su mayor resolución cuando se compara a gran distancia;
- El LiDAR es muy adecuado para objetos complejos e irregulares debido a los múltiples retornos, como la vegetación.
Los escáneres LiDAR también tienen desventajas en comparación con otras tecnologías:
- Un inconveniente de los escáneres LiDAR son los errores en los cálculos de alcance como consecuencia de que los haces láser se reflejan varias veces antes de llegar al receptor;
- Las oclusiones se refieren a huecos o sombras en las nubes de puntos 3D cuando los objetos bloquean la visión de otros;
- Los volúmenes de datos LiDAR son muy grandes, lo que puede requerir mucho tiempo de procesamiento y potencia de cálculo del hardware al realizar el procesamiento de los datos.
Para más información sobre las diferencias entre escaneado láser y fotogrametría, consulta este artículo. Para comparar el radar y el LiDAR, consulta este artículo.
Tendencias emergentes y perspectivas de futuro de los escáneres LiDAR
La tecnología de escaneado láser ha avanzado mucho en los últimos 25 años. En general, se espera que el uso de escáneres LiDAR crezca como resultado del avance de la tecnología y de las nuevas aplicaciones. Por ejemplo, la continua miniaturización de los componentes de los dispositivos, acompañada de un aumento continuo de la potencia de los ordenadores, hace que los sensores láser adquieran más capacidades y, al mismo tiempo, sean más pequeños y ligeros. Más potencia informática significa que se capturan y procesan más datos de nubes de puntos en menos tiempo, lo que da paso a más aplicaciones que utilizan LiDAR de forma de onda completa, que registra la forma de onda completa del retorno de un pulso LiDAR en lugar de sólo tres o cinco picos discretos con LiDAR de retorno discreto.
Los sistemas más pequeños abren nuevas aplicaciones para el LiDAR basado en drones, tanto para uso en interiores como en exteriores. Los algoritmos de localización y mapeo simultáneos (SLAM) con fines de posicionamiento y orientación permiten el escaneado láser en interiores, incluido el LiDAR basado en drones. Para captar las masas de agua y las zonas circundantes en 3D, el LiDAR basado en drones es ya una realidad. Además, el sector de la automoción está utilizando LiDAR para producir mapas en directo de alta definición (HD) para la detección de objetos mientras el coche navega de forma (semi)autónoma.
Por último, otra tendencia en LiDAR es la adopción de la Inteligencia Artificial (IA) para la clasificación y extracción de características en el momento de la captura de datos. Esto significa que la interpretación de las nubes de puntos se deja en manos de algoritmos, que están entrenados para hacer este trabajo rápidamente y con buenos resultados.
Clasificación automática de puntos como «terreno/no terreno» en el software YellowScan CloudStation
El YellowScan Navigator utiliza un láser verde para penetrar en el agua
Conclusión
Este artículo describe cómo funcionan los escáneres LiDAR. Los escáneres LiDAR son sensores activos que se utilizan para capturar directamente nubes de puntos 3D exactas y precisas, que proporcionan la base para diferentes productos 3D derivados. Se utilizan para distintas aplicaciones en sectores como la agricultura, la minería, la cartografía, la ingeniería y la arqueología. Hay dos tipos principales de escáneres LiDAR: los terrestres y los aéreos. Los escáneres LiDAR contienen una fuente láser que transmite muchos impulsos láser por segundo, un receptor y una óptica de escaneado. El LiDAR tiene varias ventajas e inconvenientes en comparación con el radar y la fotogrametría, otras dos fuentes de adquisición de datos 3D. El futuro del LiDAR parece brillante, con el lanzamiento de más aplicaciones industriales como resultado de los avances tecnológicos que amplían la utilidad de los escáneres LiDAR en diferentes escenarios de usuario.
Recursos:
«Introducción a la Nube de Puntos: Nubes de puntos de escaneado láser y fotogrametría», de Matthias Lemmens (Whittles Publishing, 2023)
«Imágenes y SIG: Best Practices for Extracting Information from Imagery», de Kass Green, Russell G. Congalton y Mark Tukman (Esri Press, 2017).
Preguntas frecuentes sobre el escáner LiDAR
¿Qué son los escáneres LiDAR?
Los LiDAR o escáneres láser son sensores activos que emiten rayos láser para medir las distancias a los objetos sin contacto humano con ellos; «activos» significa que los propios sensores emiten energía electromagnética. Hay dos tipos principales de escáneres LiDAR: aerotransportados y terrestres.
¿Qué hace un escáner LiDAR?
Un escáner LiDAR adquiere habitualmente nubes de puntos que constan de millones o incluso miles de millones de puntos durante un solo levantamiento. El escaneado láser 3D es una tecnología de adquisición de geodatos para el modelado 3D de ciudades, la inspección de carreteras, ferrocarriles y multitud de otras aplicaciones.
¿Cómo funcionan los escáneres LiDAR?
Un escáner LiDAR contiene una unidad láser que produce impulsos láser individuales o haces láser a altas frecuencias. La distancia del escáner a un objeto objetivo se mide después de que el escáner registre un retorno. A continuación, los datos de medición se convierten en un punto 3D en un sistema de coordenadas común mediante múltiples transformaciones de coordenadas.
¿Quién inventó el primer escáner LiDAR?
El primer LiDAR comercial fue lanzado al mercado en 1962 por Theodore Maiman y su equipo del Laboratorio de Investigación Hughes.
¿Cuál es la diferencia entre un escáner LiDAR y un escáner láser?
LiDAR es un término más amplio que se refiere al uso de la tecnología láser para medir distancias y se utiliza en diversos contextos, incluidas las aplicaciones aéreas y terrestres. El escaneado láser es una definición más restringida de este concepto, y se refiere específicamente al proceso de captura de formas y geometrías 3D detalladas de objetos o entornos, a menudo con equipos terrestres.
