Revista RPAS Drones nº 2 | Sistemas LiDAR embarcados en RPAS

(Artículo publicado en RPAS Drones Nº2)

Alejandro Ávila Búa; director del Área Industrial, Aeromedia UAV

1.Introducción

1.1.Características Generales del Sistema

La palabra LiDAR procede del acrónimo “Light Detection And Ranging”. El propósito de la tecnología LiDAR es detectar los cambios de elevación enviando pulsos de luz y se mide el tiempo que tarda el pulso en retornar al sensor. Dicho tiempo de retorno indica la distancia existente al objetivo.

La tecnología LiDAR se basa, en el uso de sensores activos, por lo que la captura de información no depende, como ocurre con otros sensores, de las condiciones meteorológicas, y además las misiones pueden realizarse durante la noche.

1.2.Fecha de Funcionamiento

El inicio del desarrollo de la tecnología LiDAR (Ligth Detection and Ranging) se remonta a la década de los 70, dentro de los programas de investigación llevados a cabo por la Agencia Espacial Estadounidense.

Su elevado coste y sus limitadas posibilidades para la época, frenaron durante años su utilización generalizada, pero pronto se pudo comprobar su elevado número de aplicaciones.

La introducción de los Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) a finales de los 80 proporcionó la alta precisión posicional requerida para el uso del LiDAR de alta resolución. A la llegada de los sistemas GPS se le sumó la utilización de relojes ultra-precisos para la medida del tiempo de retorno del pulso láser, y las unidades de medida inercial (Inertial Measurement Units – IMU), que permiten el cálculo de los parámetros de orientación de los sensores láser.

La rápida evolución de estos componentes permitió finalmente el aumento de la resolución y fiabilidad de los sistemas LiDAR, y su utilización en un gran número de aplicaciones.

2.Funcionamiento

2.1.¿Cómo Funciona el Sistema LIDAR? Introducción

El sensor LIDAR mide el ángulo de lectura de pulsos láser. Mide el tiempo necesario para cada pulso emitido al reflejarse en el suelo y volver al sensor.

Conocida la velocidad de la luz a la que se desplaza el pulso, conoceremos la distancia recorrida, esta será:

Gracias a la tecnología LiDAR se genera lo que se conoce como «nube de puntos», una colección de retornos de pulsos láser individuales que, colectivamente dan datos de elevación sobre un área determinada. Estas nubes de puntos suelen necesitar un filtrado robusto, ya sea desde el propio sensor, o mediante post-procesamiento, para eliminar puntos de datos erróneos.

Para posicionar el punto se utilizan dos técnicas:

IMU (Unidad de Navegación Inercial): permite medir la orientación exacta del sensor (orientación angular).
GPS diferencial: Necesario para determinar las coordenadas x, y, z del sensor LIDAR en el aire y en movimiento, y una o más estaciones base GPS en tierra.

2.2.¿Cómo Funciona el Sistema LIDAR? Sistemas de Barrido

En el caso que nos ocupa, los sistemas de barrido más empleados en los escáneres láser 3D, son los que emplean un espejo oscilante o un polígono rotatorio que ese emplean para repartir el rayo láser por toda la superficie.

Escaneo con polígono de Rotación:

En este sistema, un polígono espejo multifacético de prisma, gira continuamente alrededor de su eje de rotación. Las caras del polígono junto con su rotación, dirigen el haz de luz hacia el suelo. Al igual que el sistema anterior, esto generalmente se utiliza para barrer perpendicular a la trayectoria del vuelo.

Debido a que la transferencia de la energía láser de las caras del polígono, hay un salto discontinuo y repentino en el lado opuesto de la exploración, dando lugar a un patrón de lectura consistente en una serie de líneas de exploración casi paralelas.

Como sucede con los escáneres de espejos oscilantes, el espaciamiento de las mediciones transversales es en función del PRF del escáner laser, del intervalo de grabación del escaneo y de la altura del RPAS. El espaciamiento longitudinal de la medida dependerá de la velocidad y de los intervalos de grabación del escáner. Un espejo que rota permite la creación de medidas espaciadas muy regulares, debido a la velocidad constante de rotación del espejo de múltiples caras.

2.3.¿Cómo Funciona el Sistema LIDAR aéreo? ECOS

Con los sensores LiDAR, se pueden generar más de un retorno por impulso. Dependiendo del sistema LiDAR que se esté empleando, éstos pueden ser utilizados o ignorados.

Este procedimiento es extremadamente útil en los casos en que se desea obtener mediciones de terreno sin vegetación. Hay que señalar que, en general, hay suficientes huecos en la cubierta del árbol por donde los pulsos de láser pueden penetrar, llegar hasta el suelo y regresar al sensor. Muchos sensores LiDAR que van embarcados en RPAS son al menos de doble retorno; El más fuerte (generalmente el primer retorno) y el último (generalmente el más débil, o el que viajó más lejos).

Cuando el rayo láser llega al terreno, se comporta de forma diferente dependiendo de las características de los objetos que se encuentre:

En una superficie sólida (edificios, suelo, etc.), el rayo se refleja sin ningún problema y vuelve al avión.
En el agua, el rayo láser es absorbido rápidamente y no vuelve al avión, por lo que no se obtiene ninguna información.
En vegetación, el rayo choca en primer lugar con la copa del árbol. En este momento parte del rayo se refleja y vuelve al avión, pero al tratarse de una superficie no sólida, hay otra parte del rayo que atraviesa la vegetación hasta llegar al suelo y vuelve al avión. El sistema guarda el primer y último pulso.

“Primer retorno“: Nos da información sobre la parte alta del objeto.
“Ultimo retorno»: Se pueden observar las características del suelo.

2.4.¿Cómo Funciona el Sistema LIDAR Aéreo? Resultados del Vuelo

Una vez que se realiza un primer filtrado para eliminar puntos indeseados de la nube de puntos, se puede obtener un modelo de elevación digital (DEM) a partir de la nube de puntos.

La nube de puntos es típicamente de naturaleza irregular, por lo que este paso permite colocar los puntos en una cuadrícula regular, y puede implicar la interpolación entre puntos de datos, dependiendo de la granularidad de datos especificada.

La precisión que muestra la topografía real de la Tierra (la precisión del modelo) depende en gran medida la metodología de recopilación de datos, la densidad de puntos, post-procesado, y la calidad de los datos de filtrado y edición.

2.5.¿Aviones o Helicópteros? ¿Drones?

Avión: Se prima la productividad, se vuela más alto y se abarca una zona mayor.

Helicóptero: Se puede volar más lento, a menos altura y se obtiene mayor densidad de puntos que en avión.

Drones: Resolución de exploración en la superficie del suelo de hasta 4x4x4 cm (a 1 m/s velocidad de movimiento) Exploraciones extremadamente rápidas, por ejemplo, con una altitud de vuelo de 25 m y 1 m/s de velocidad de movimiento se puede escanear un rango de aproximadamente 100 x 50 m en sólo 100 segundos.

2.6.Ventajas de la tecnología LiDAR frente a otras técnicas

Todos los datos se registran numéricamente.
El láser es un sensor activo por lo que no requiere condiciones de radiación solar específicas, ni siquiera la luz del día.
Es una tecnología de muestreo aérea, por lo que la información es recogida rápidamente y con precisión.
El procesado automático permite aumentar la velocidad de realización de los análisis.
La alta precisión de los datos recogidos permite usarlos en planificación y en trabajos detallados de ingeniería.
Proporciona datos en áreas de difícil acceso o de ambiente sensible.
Al tratarse de datos digitales pueden ser utilizados en muchos paquetes informáticos, y empleados para generar vistas muy distintas.
El espaciado de los datos de elevaciones generados en LiDAR es considerablemente más denso que en los métodos tradicionales.
Permite cartografiar atributos lineales y estrechos, incluyendo el diseño, planificación y cartografiado de carreteras, la planificación y diseño de los corredores y de las propias torres de líneas eléctricas, el análisis de la erosión costera, el manejo de estas zonas, el análisis de los recursos hídricos, el manejo de redes de tuberías, etc.
Facilita la obtención de cartografía de la superficie terrestre en áreas vegetadas o forestadas, dado que un solo pulso es capaz de penetrar entre la vegetación y alcanzar el terreno.
Los datos de elevaciones obtenidos con LiDAR resultan notablemente más baratos que los obtenidos con los métodos tradicionales, especialmente cuando el pos procesado automático se utiliza para generar modelos de datos de elevaciones de la superficie terrestre.