Sistema de información Geográfica

Universidad del Zulia

Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Geodésica

Departamento de Geodesia Superior

Cátedra: sistema de información Geográfica

Fundamentos de la tecnología LiDAR

El LiDAR aerotransportado (Light Detection And Ranging) es un sistema activo basado en un sensor láser que se puede instalar en aviones o helicópteros. Esta tecnología está sustituyendo cada vez más a los métodos basados en fotogrametría para obtener MDT de alta precisión, porque consigue disminuir los costes y plazos de entrega a la vez que se obtienen precisiones mejores de 15cm en altura y una mayor densidad de medidas.

El funcionamiento del LiDAR consiste en un sensor de barrido que realiza la emisión de pulsos láser y mide el tiempo que tardan dichos pulsos en llegar a la superficie terrestre y volver hasta el sensor. Actualmente hay instrumentos LiDAR que miden hasta con una frecuencia de 150 Khz, lo que quiere decir que emiten y reciben 150.000 pulsos láser por segundo.

Figura 1. Esquema de funcionamiento de la tecnología LiDAR

En principio todos los rayos láser salen en una única dirección apuntando hacia abajo, pero hay un espejo rotatorio que los desvía a ambos lados del avión con un ángulo de apertura configurable, de forma que se realiza un barrido de una determinada franja del terreno (la anchura dependerá de la altura del vuelo) conforme avanza el avión.

Por otro lado, en el avión hay instalado un GPS que permite posicionar en tiempo real al instrumento, para saber en cada momento donde se encuentra. Para aumentar la precisión en el posicionamiento del instrumento, se utiliza un GPS diferencial en tierra (también se pueden utilizar estaciones de referencia como la red de estaciones permanentes GPS del IGN está conformada actualmente por 17 estaciones a lo largo de todo el territorio Español). Después de realizar el vuelo se combinan los datos GPS del avión con los del GPS diferencial en tierra, para obtener precisiones de 5 cm en la posición del instrumento.

Por último, se dispone del sistema de navegación inercial del avión (IRS) que mide con una precisión de 0.001 grados las variaciones en la orientación del avión debidas a turbulencias, pequeños giros, inclinaciones, Combinando toda esta información (distancia medida con el láser, ángulo del espejo que realiza el barrido, posición exacta del instrumento con GPS y sistema de navegación inercial), podemos obtener la medición de la altura del terreno con una precisión mejor que 15 cm en Z.

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

Figura 2. Funcionamiento del LiDAR ante diferentes superficies.

1. En una superficie sólida (edificios, suelo, etc.), el rayo se refleja sin ningún problema y vuelve al avión.

2. En el agua el rayo láser sufre una reflexión especular y no vuelve al avión, por lo que no se obtiene ninguna información, apareciendo un hueco sin datos que habrá que interpolar a partir de las alturas de alrededor o de otros datos batimétricos de los que se pueda disponer.

3. En el caso de la 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 las coordenadas y alturas del primer y último pulso.

Una de las ventajas de la tecnología LiDAR consiste en la posibilidad de medir para cada pulso el primer y el último de los rebotes que vuelven al avión. Esto permite (con la configuración de vuelo adecuada) medir la altura del terreno en zonas completamente cubiertas por la vegetación, lo cual no es posible con técnicas de medición clásicas como la fotogrametría.

Un proyecto LiDAR se puede dividir en dos bloques claramente diferenciados: la adquisición de los datos y el procesado de los mismos. Hasta el momento hemos hecho referencia a la parte de adquisición de los datos, pero sin duda la parte más importante está en el procesado de los datos para obtener los diferentes productos finales.

Figura 3. Productos estándar obtenidos después del procesado de datos LIDAR.

• Nube de puntos irregular correspondiente a los puntos LiDAR originales.

• MDS (Modelo Digital de Superficie) se obtiene interpolando los puntos del primer pulso. Aquí podemos distinguir las alturas de los edificios, vegetación, puentes, coches, farolas, etc., como vemos en la parte izquierda de la figura

• MDT (Modelo Digital del Terreno) se obtiene interpolando los puntos del último pulso, eliminando los puntos que no pertenecen al terreno. Lo vemos en la parte derecha de la figura 3, donde se aprecia que hemos simulado la misma zona pero eliminando edificios, vegetación y demás objetos no pertenecientes al terreno.

• Clasificaciones de los puntos pertenecientes a suelo, vegetación, edificios, puentes, líneas eléctricas, etc.

• Imagen de intensidades. A partir de la amplitud de la señal que vuelve al avión después de rebotar en la superficie terrestre obtenemos una imagen de intensidades que permite realizar distinciones entre superficies, identificando carreteras, etc.

APLICACIONES DE LA TECNOLOGÍA LIDAR

Las principales aplicaciones para las que se suele utilizar la tecnología LiDAR son:

- Cartografía para estudios de inundaciones: una de las principales aplicaciones para lo que se está usando esta tecnología en España es para la realización de estudios de hidráulicos y de inundabilidad. Para este tipo de trabajos se necesitan nuevas mediciones precisas de las alturas del terreno.

Habitualmente todos estos trabajos se realizaban con fotogrametría (se genera cartografía de detalle a partir de imágenes aéreas y con esa cartografía luego se produce el MDT), lo que conlleva un elevado coste y largos plazos de entrega. Con la tecnología LIDAR se pueden medir grandes extensiones con un menor coste, menor plazo de entrega, se dispone de una medición de alturas para cada metro cuadrado del terreno (mientras que en zonas planas, las curvas de nivel pueden estar muy separadas y al interpolar el MDT no es tan realista), permite medir las alturas del terreno debajo de la vegetación, menor dependencia con las condiciones climáticas, se pueden volar muchos más días al año, al ser un sensor activo no necesita la luz del sol y se puede volar de día o de noche o con nubes altas.

Figura 4. Cauce del río Palancia: presa del Algar.

- Aplicaciones en zonas urbanas: Otra de las principales aplicaciones de la tecnología LIDAR es para la medición de zonas urbanas para la planificación de redes de telecomunicaciones, detección de construcciones ilegales, planes de emergencia, aplicaciones de ingeniería y otras aplicaciones SIG.

Figura 5. Nube de puntos original medida con tecnología LIDAR en una ciudad.

En la figura 5 vemos un ejemplo de la nube de puntos LiDAR original para una zona urbana. Como podemos ver se aprecian las alturas de todo lo que está en la superficie: edificios, vegetación, puentes, coches, farolas, personas, etc. Con las clasificaciones pertinentes, se pueden obtener modelos con la altura de los edificios, altura de la vegetación, etc.

- Aplicaciones en el mantenimiento de líneas eléctricas: Si instalamos el instrumento LIDAR en un helicóptero, de forma que se pueda volar más bajo y despacio, podemos medir con gran precisión las líneas de alta tensión.

Figura 6. Medición de líneas de alta tensión con tecnología LIDAR

En este caso el primero de los rebotes corresponde con la altura de los cables y el último con la altura del suelo. De esta forma se puede localizar los árboles que se acercan peligrosamente a los cables y que por lo tanto deben de ser talados, así como construcciones ilegales que estén a una distancia inferior a lo permitido.

También se pueden localizar las torres y sacar modelos de catenarias. Aunque no obtengamos tanto detalle, desde avión con menos puntos por metro cuadrado algunos puntos si caerán sobre los cables y también podemos hacer un inventario de los objetos que se acercan a los cables.

Actualización de cartografía: También se pueden utilizar los datos LiDAR para la actualización de cartografía digital, mediante la extracción de curvas de nivel del MDT, extracción de las alturas de los edificios, etc.

Figura 7. Extracción automática de curvas de nivel cada 1m a partir de un MDT LiDAR.

– Para proyectos de ingeniería: Cartografía para proyectos de ingeniería civil: carreteras, líneas de ferrocarril, etc. Para mapas de ruido, inventario, estimación precisa de movimientos de tierras, visualización 3D y otras aplicaciones SIG.

Figura 8. Uso del LiDAR para aplicaciones de ingeniería.

-Telecomunicaciones: Cartografía para proyectos de telecomunicaciones donde se necesitan MDT precisos, actualizados y con la altura

...