Lidar

Lidar (también LIDAR, o LiDAR ; a veces LADAR) es un método para determinar rangos (distancia variable) apuntando a un objeto o una superficie con un láser y midiendo el tiempo que tarda la luz reflejada en volver a El receptor. También se puede usar para hacer representaciones tridimensionales digitales de áreas en la superficie terrestre y el fondo del océano variando la longitud de onda de la luz. Tiene aplicaciones terrestres, aéreas y móviles.

Lidar es un acrónimo de "detección y rango de luz" o "imágenes, detección y rango láser". A veces se le llama escaneo láser 3D, una combinación especial de escaneo 3D y escaneo láser.

Lidar se usa comúnmente para hacer mapas de alta resolución, con aplicaciones en topografía, geodesia, geomática, arqueología, geografía, geología, geomorfología, sismología, silvicultura, física atmosférica, guía láser, mapeo de barrido láser aerotransportado (ALSM) y altimetría láser. También se utiliza en el control y la navegación de algunos coches autónomos y del helicóptero Ingenuity en sus vuelos récord sobre el terreno de Marte.

Historia y etimología

Bajo la dirección de Malcolm Stitch, Hughes Aircraft Company introdujo el primer sistema similar a lidar en 1961, poco después de la invención del láser. Diseñado para el seguimiento de satélites, este sistema combina imágenes enfocadas con láser con la capacidad de calcular distancias midiendo el tiempo que tarda una señal en regresar utilizando sensores apropiados y electrónica de adquisición de datos. Originalmente se llamaba "Colidar", un acrónimo de "detección y rango de luz coherente".derivado del término "radar", en sí mismo un acrónimo de "detección y rango de radio". Todos los 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 7 millas y una precisión de 15 pies, para ser utilizado para objetivos militares. La primera mención de lidar como palabra independiente en 1963 sugiere que se originó como un acrónimo de "luz" y "radar": "Eventualmente, el láser puede proporcionar un detector extremadamente sensible de longitudes de onda particulares de objetos distantes. Mientras tanto, se está solía estudiar la luna por 'lidar' (radar de luz)..." El nombre "radar fotónico" se usa a veces para referirse a la búsqueda de rango de espectro visible como lidar.

Las primeras aplicaciones de Lidar fueron en meteorología, para lo cual el Centro Nacional de Investigaciones Atmosféricas lo utilizó para medir las nubes y la contaminación. 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 usaron 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 capitalizó 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 usa tanto "LIDAR" como "lidar", a veces en el mismo documento;aunque las fuentes de noticias contribuyentes como Reuters pueden usar Lidar.

Descripción general

Lidar utiliza luz ultravioleta, visible o infrarroja cercana para obtener 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. Un rayo láser angosto puede mapear características físicas con resoluciones muy altas; por ejemplo, una aeronave puede mapear el terreno con una resolución de 30 centímetros (12 pulgadas) o superior.

El concepto esencial de lidar fue originado por EH Synge en 1930, quien imaginó el uso de potentes reflectores para sondear la atmósfera. De hecho, lidar se ha utilizado desde entonces ampliamente para la investigación atmosférica y la meteorología. Los instrumentos Lidar instalados en aviones y satélites llevan a cabo levantamientos topográficos y cartográficos; un ejemplo reciente es el Lidar experimental avanzado de investigación aerotransportada del Servicio Geológico de EE. UU. La NASA ha identificado el lidar como una tecnología clave para permitir el aterrizaje autónomo de precisión y seguridad de futuros vehículos de aterrizaje lunar robóticos y tripulados.

Las longitudes de onda varían para adaptarse al objetivo: desde aproximadamente 10 micrómetros (infrarrojo) hasta aproximadamente 250 nm (UV). Por lo general, la luz se refleja a través de la retrodispersión, a diferencia del reflejo puro que se puede encontrar con un espejo. Se utilizan diferentes tipos de dispersión para diferentes aplicaciones lidar: más comúnmente dispersión de Rayleigh, dispersión de Mie, dispersión de Raman y fluorescencia. Las 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. El nombre "radar fotónico" a veces se usa para referirse a la búsqueda de rango de espectro visible como lidar, aunque el radar fotónico se refiere más estrictamente a la búsqueda de rango de radiofrecuencia que utiliza componentes fotónicos.

Tecnología

Fórmula matemática

Un lidar determina la distancia de un objeto o una superficie con la fórmula:{displaystyle d={frac {ccdot t}{2}}}

donde{ estilo de visualización c}es la velocidad de la luz,{ estilo de visualización d}es la distancia entre el detector y el objeto o superficie que se detecta, y{ estilo de visualización t}es el tiempo que tarda la luz láser en viajar hasta el objeto o la superficie que se está detectando y luego viajar de regreso al detector.

Diseño

Los dos tipos de esquemas de detección lidar son la detección de energía directa o "incoherente" (que mide principalmente los cambios de amplitud de la luz reflejada) y la detección coherente (mejor para medir los cambios Doppler o cambios en la fase de la luz reflejada). Los sistemas coherentes generalmente usan detección heterodina óptica. 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: ya sea micropulso o alta energía. Los sistemas Micropulse utilizan ráfagas intermitentes de energía. Se desarrollaron como resultado del poder de las computadoras cada vez mayor, combinado con los avances en la tecnología láser. Usan considerablemente menos energía en el láser, generalmente del orden de un microjulio, y a menudo son "seguros para los ojos", lo que significa que se pueden usar sin precauciones de seguridad. Los sistemas de alta potencia son comunes en la investigación atmosférica, donde se utilizan ampliamente para medir parámetros atmosféricos: altura, capas y densidades de las nubes, 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.).

Componentes

Los sistemas LiDAR constan de varios componentes principales.

Láser

Los láseres de 600 a 1000 nm son los más comunes para aplicaciones no científicas. La potencia máxima del láser está limitada o se utiliza un sistema de apagado automático que apaga el láser a altitudes específicas para que sea seguro para la vista 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 mucho esta longitud de onda, pero la tecnología del detector es menos avanzada y, por lo tanto, estas longitudes de onda generalmente se usan en rangos más largos con precisión más baja. También se usan para aplicaciones militares porque 1550 nm no es visible en 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 penetran 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 duración 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.

Arreglos en fase

Una matriz en fase puede iluminar cualquier dirección mediante el uso de una matriz microscópica de antenas individuales. El control de la sincronización (fase) de cada antena dirige una señal cohesiva en una dirección específica.

Las matrices en fase se han utilizado en radares 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 cierta dirección. El sistema se controla cronometrando el destello preciso. Un solo chip (o unos pocos) reemplaza un sistema electromecánico de US$75.000, lo que reduce drásticamente los costos.

Varias empresas están trabajando en el desarrollo de unidades LIDAR comerciales de estado sólido, incluida la empresa Quanergy, que está diseñando un dispositivo de estado sólido de 905 nm, aunque parece que tienen algunos problemas en el desarrollo.

El sistema de control puede cambiar la forma de la lente para habilitar las funciones de acercar/alejar. Las subzonas específicas se pueden orientar a intervalos de subsegundos.

El lidar electromecánico dura entre 1000 y 2000 horas. Por el contrario, el lidar de estado sólido puede funcionar durante 100 000 horas.

Máquinas microelectromecánicas

Los espejos microelectromecánicos (MEMS) no son completamente de estado sólido. Sin embargo, su diminuto factor de forma ofrece muchos de los mismos beneficios de costos. Un solo láser se dirige a un solo espejo que se puede reorientar 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 golpear el mismo espejo desde otro ángulo. Los sistemas MEMS pueden verse afectados por golpes/vibraciones y pueden requerir una calibración repetida. El objetivo es crear un pequeño microchip para potenciar la innovación y nuevos avances tecnológicos.

Escáner y óptica

La velocidad de revelado de la imagen se ve afectada por la velocidad a la que se escanean. Las opciones para escanear el acimut 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 hueco o un divisor de haz son opciones para recoger una señal de retorno.

Fotodetector y electrónica del receptor

En lidar se utilizan dos tecnologías principales de fotodetectores: 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.

Sistemas de posición y navegación

Los sensores Lidar montados en plataformas móviles como aviones o satélites requieren instrumentación para determinar la posición y orientación absolutas del sensor. Dichos dispositivos generalmente incluyen un receptor del Sistema de Posicionamiento Global y una unidad de medición inercial (IMU).

Sensor

Lidar utiliza sensores activos que suministran su propia fuente de iluminación. La fuente de energía golpea los objetos y los sensores detectan y miden la energía reflejada. La distancia al objeto se determina registrando el tiempo entre los pulsos transmitidos y retrodispersados ​​y usando la velocidad de la luz para calcular la distancia recorrida. Flash LIDAR permite obtener imágenes en 3D 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.

Las imágenes en 3D se pueden lograr utilizando sistemas de escaneo y no escaneo. El "radar láser de visualización sincronizada en 3-D" es un sistema de alcance láser sin escaneo que aplica un láser pulsado y una cámara sincronizada rápida. La investigación ha comenzado para la dirección virtual del haz utilizando la tecnología de procesamiento digital de luz (DLP).

La generación de imágenes lidar también se puede realizar utilizando matrices de detectores de alta velocidad y matrices de detectores sensibles a la modulación, generalmente construidos en chips individuales que utilizan técnicas de fabricación complementarias de metal-óxido-semiconductor (CMOS) y CMOS híbrido/dispositivo acoplado de carga (CCD). En estos dispositivos, cada píxel realiza algún procesamiento local, como demodulación o activación a alta velocidad, convirtiendo las señales a velocidad de video para que la matriz se pueda leer como una cámara. Usando esta técnica, se pueden adquirir muchos miles de píxeles/canales simultáneamente. Las cámaras lidar 3-D de alta resolución utilizan detección homodina con un obturador electrónico CCD o CMOS.

Un lidar de imágenes coherente utiliza detección heterodina de matriz sintética para permitir que un receptor de un solo elemento fijo actúe como si fuera una matriz de imágenes.

En 2014, Lincoln Laboratory anunció un nuevo chip de imágenes con más de 16 384 píxeles, cada uno capaz de generar imágenes de 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 enero de 2010 en Haití. Una sola pasada de un avión comercial a 3000 metros (10 000 pies) sobre Puerto Príncipe pudo capturar instantáneas de 600 metros cuadrados de la ciudad con una resolución de 30 centímetros (12 pulgadas), mostrando la altura precisa de escombros esparcidos en las calles de la ciudad.El nuevo sistema es diez veces mejor y podría producir mapas mucho más grandes con mayor rapidez. 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 automóviles 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.

Lidar de destello

En flash lidar, todo el campo de visión se ilumina con un rayo 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 flash LIDAR, se utiliza una cámara de tiempo de vuelo para recopilar información sobre la ubicación 3D 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 flash, la cámara contiene una matriz de sensores 1-D o 2-D, cada píxel recopila información de intensidad y ubicación 3-D. En ambos casos,El resultado es una cámara que toma fotografías de distancia, en lugar de colores. 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 "inestabilidad" debido al lapso de tiempo a medida que el láser avanza sobre la escena.

Al igual que con todas las formas de lidar, la fuente de iluminación integrada hace que el flash lidar sea un sensor activo. La señal que se devuelve es procesada por algoritmos incorporados para producir una representación tridimensional casi instantánea de objetos y características del terreno dentro del campo de visión del sensor. La frecuencia de repetición del pulso láser es suficiente para generar videos 3D con alta resolución y precisión. La alta velocidad de fotogramas del sensor lo convierte en una herramienta útil para una variedad de aplicaciones que se benefician de la visualización en tiempo real, como las operaciones de aterrizaje remoto de alta precisión. Al devolver inmediatamente una malla de elevación 3D de paisajes objetivo, se puede usar un sensor de flash para identificar zonas de aterrizaje óptimas en escenarios de aterrizaje de naves espaciales autónomas.

Ver a distancia requiere un poderoso estallido de luz. El poder está limitado a niveles que no dañan las retinas humanas. Las longitudes de onda no deben afectar a los ojos humanos. Sin embargo, los generadores de imágenes de silicio de bajo costo no leen la luz en el espectro seguro para los ojos. En cambio, se requieren generadores de imágenes de arseniuro de galio, lo que puede aumentar los costos a $ 200,000. El arseniuro de galio es el mismo compuesto que se usa para producir paneles solares de alto costo y alta eficiencia que generalmente se usan en aplicaciones espaciales.

Clasificación

Basado en la orientación

Lidar se puede orientar al nadir, al 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.

Basado en el mecanismo de escaneo

Las proyecciones láser de lidar se pueden manipular utilizando varios métodos y mecanismos para producir un efecto de escaneo: el tipo de eje estándar, que gira para brindar una vista de 360 ​​grados; lidar de estado sólido, que tiene un campo de visión fijo, pero no tiene 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 gran campo de visión antes de que la señal rebote en un detector.

Basado en plataforma

Las aplicaciones Lidar se pueden dividir en aerotransportadas y terrestres. 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. Las plataformas espaciales también son posibles, consulte altimetría láser satelital.

Aerotransportado

Lidar aerotransportado (también escaneo láser aerotransportado) es cuando un escáner láser, mientras está conectado a un avión durante el vuelo, crea un modelo de nube de puntos en 3D del paisaje. Este es actualmente el método más detallado y preciso para crear modelos digitales de elevación, reemplazando la fotogrametría. Una de las principales ventajas 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 de terreno digital que represente las superficies del suelo, 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 gran altitud y de 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 aerotransportado también se puede utilizar para crear modelos batimétricos en aguas poco profundas.

Los componentes principales 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 de trama 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 el lidar aéreo. Los modelos de elevación digital lidar aerotransportados pueden ver a través del dosel de la cubierta forestal, realizar mediciones detalladas de escarpas, erosión e inclinación de postes eléctricos.

Los datos lidar aerotransportados se procesan utilizando una caja de herramientas llamada Toolbox for Lidar Data Filtering and Forest Studies (TIFFS)para filtrado de datos lidar y 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 cartografiará y la altura de cada punto sobre el suelo se calcula restando la coordenada z original de la elevación del modelo de terreno digital correspondiente. En base a 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 la media, la desviación estándar, la asimetría, los percentiles, la media cuadrática, etc.

Batimetría lidar aerotransportada

El sistema tecnológico batimétrico lidar aerotransportado implica la medición del tiempo de vuelo de una señal desde una fuente hasta su retorno al sensor. La técnica de adquisición de datos involucra un componente de mapeo del fondo marino y un componente de verdad sobre el terreno que incluye transectos de video y muestreo. Funciona con un rayo láser de espectro verde (532 nm). Dos haces se proyectan sobre un espejo que gira rápidamente, lo que crea una serie de puntos. Uno de los haces penetra en el agua y también detecta la superficie del fondo del agua en condiciones favorables.

Los datos obtenidos muestran la extensión total de la superficie terrestre expuesta sobre el fondo del mar. Esta técnica es extremadamente útil ya que desempeñará un papel importante en el principal programa de mapeo del fondo marino. El mapeo produce topografía en tierra, así como elevaciones submarinas. Las imágenes de reflectancia del fondo marino son otro producto de solución de este sistema que puede beneficiar el mapeo de hábitats submarinos. Esta técnica se ha utilizado para el mapeo de imágenes tridimensionales de las aguas de California utilizando un lidar hidrográfico.

Los drones ahora se utilizan con escáneres láser, así como con otros sensores remotos, como un método más económico para escanear áreas más pequeñas. La posibilidad de teledetección con drones también elimina cualquier peligro al que puedan estar sujetas las tripulaciones de las aeronaves en terrenos difíciles o áreas remotas.

LiDAR de forma de onda completa

Los sistemas LiDAR aerotransportados tradicionalmente podían adquirir solo unos pocos retornos máximos, mientras que los sistemas más recientes adquieren y digitalizan toda la señal reflejada. Los científicos analizaron la señal de forma de onda para extraer retornos máximos utilizando la descomposición gaussiana. Zhuang et al, 2017 utilizó este enfoque para estimar la biomasa aérea. Es difícil manejar grandes cantidades de datos de forma de onda completa. Por lo tanto, la descomposición gaussiana de las formas de onda es efectiva, ya que reduce los datos y es compatible con los flujos de trabajo existentes que admiten la interpretación de nubes de puntos 3D. Estudios recientes investigaron la voxelización. Las intensidades de las muestras de forma de onda se insertan en un espacio voxelizado (es decir, una imagen en escala de grises 3D) creando una representación 3D del área escaneada.Las métricas y la información relacionadas se pueden extraer de ese espacio voxelizado. La información estructural se puede extraer utilizando métricas 3D de áreas locales y hay un estudio de caso que utilizó el enfoque de voxelización para detectar árboles de eucalipto muertos en pie en Australia.

Terrestre

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 levantamiento, por ejemplo, en topografía convencional, monitoreo, documentación del patrimonio cultural y análisis forense. Las nubes de puntos 3D adquiridas de estos tipos de escáneres pueden combinarse con imágenes digitales tomadas del área escaneada desde la ubicación del escáner para crear modelos 3D de aspecto realista en un tiempo relativamente corto en comparación con otras tecnologías. Cada punto de la nube de puntos recibe 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 ) es cuando dos o más escáneres se conectan a un vehículo en movimiento para recopilar datos a lo largo de una ruta. Estos escáneres casi siempre se combinan con otros tipos de equipos, incluidos los receptores GNSS y las IMU. Un ejemplo de aplicación es la medición de calles, donde se deben tener en cuenta las líneas eléctricas, las alturas exactas de los puentes, los árboles que bordean, etc. En lugar de recopilar cada una de estas medidas 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 medidas necesarias, según la calidad de los datos recopilados. Esto elimina el problema de olvidar tomar una medida, siempre que el modelo esté disponible, sea confiable y tenga un nivel de precisión adecuado.

El mapeo lidar terrestre implica un proceso de generación de mapas de cuadrícula de ocupación. El proceso implica una matriz 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 celda para su posterior procesamiento. El siguiente paso es procesar la distancia radial y las coordenadas z de cada escaneo para identificar qué puntos tridimensionales corresponden a cada una de las celdas de cuadrícula especificadas que conducen al proceso de formación de datos.

Aplicaciones

Hay una amplia variedad de aplicaciones lidar, además de las aplicaciones que se enumeran a continuación, como se menciona a menudo en los programas de conjuntos de datos lidar nacionales. 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 los objetos; y confusión de reflectancia, lo que significa qué tan bien el lidar puede ver algo en presencia de objetos brillantes, como señales reflectantes o un sol brillante.

Las empresas están trabajando para reducir el costo de los sensores lidar, que actualmente oscilan entre $ 1200 y más de $ 12 000. Los precios más bajos harán que lidar sea más atractivo para nuevos mercados.

Agricultura

Los robots agrícolas se han utilizado para una variedad de propósitos que van desde la dispersión de semillas y fertilizantes, técnicas de detección y exploración de cultivos para la tarea 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 de rendimiento de las tierras agrícolas de años anteriores, para categorizar la tierra en zonas de rendimiento alto, medio o bajo. Esto indica dónde aplicar fertilizante para maximizar el rendimiento.

Lidar ahora se usa para monitorear insectos en el campo. El uso de Lidar puede detectar el movimiento y el comportamiento de insectos voladores individuales, con identificación por sexo y especie. En 2017 se publicó una solicitud de patente sobre esta tecnología en Estados Unidos de América, Europa y China.

Otra aplicación es el mapeo de cultivos en huertos y viñedos, para detectar el crecimiento del follaje y la necesidad de poda u otro mantenimiento, detectar variaciones en la producción de frutos o contar plantas.

Lidar es útil en situaciones en las que se niega GNSS, como en los huertos de frutos secos y frutas, donde el follaje bloquea las señales de satélite de los equipos de agricultura de precisión o de un tractor sin conductor. Los sensores Lidar pueden detectar los bordes de las filas, de modo que el equipo agrícola pueda continuar moviéndose hasta que se restablezca la señal GNSS.

Clasificación de especies de plantas

El control de malezas requiere identificar las especies de plantas. Esto se puede hacer usando lidar 3-D y aprendizaje automático. Lidar produce contornos de plantas como una "nube de puntos" con valores de rango y reflectancia. Estos datos se transforman y las características se extraen de ellos. Si se conoce la especie, las características se agregan como nuevos datos. La especie se etiqueta y sus características se almacenan inicialmente como un 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.

Arqueología

Lidar tiene muchos usos en arqueología, incluida la planificación de campañas de campo, el mapeo de características bajo el dosel del bosque y la descripción general de características amplias y continuas que no se pueden distinguir desde el suelo. 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 digitales de elevación (DEM) de alta resolución de sitios arqueológicos que pueden revelar microtopografías que de otro modo estarían ocultas por la vegetación. La intensidad de la señal lidar devuelta se puede usar para detectar características enterradas bajo superficies planas con vegetación, como campos, especialmente cuando se mapea usando el espectro infrarrojo. La presencia de estas características afecta el crecimiento de las plantas y, por lo tanto, la cantidad de luz infrarroja reflejada.Por ejemplo, en Fort Beauséjour, sitio histórico nacional de Fort Cumberland, Canadá, el lidar descubrió características arqueológicas relacionadas con el asedio de la fortaleza en 1755. Las características que no podían distinguirse en el suelo o a través de fotografías aéreas se identificaron superponiendo las sombras de las colinas del DEM creado con iluminación artificial desde varios ángulos. Otro ejemplo es el trabajo en Caracol de Arlen Chase y su esposa Diane Zaino Chase. 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 en la selva hondureña. Durante un período de mapeo de siete días, se encontraron evidencias de estructuras hechas por el hombre. En junio de 2013, se anunció el redescubrimiento de la ciudad de Mahendraparvata.En el sur de Nueva Inglaterra, se usó LIDAR para revelar muros de piedra, cimientos de edificios, caminos abandonados y otras características del paisaje oscurecidas en la fotografía aérea por el denso dosel del bosque de la región. En Camboya, Damian Evans y Roland Fletcher utilizaron datos LIDAR para revelar cambios antropogénicos en el paisaje de Angkor.

En 2012, Lidar reveló que el asentamiento purépecha de Angamuco en Michoacán, México, tenía tantos edificios como el actual Manhattan; mientras que en 2016, su uso en el mapeo de las antiguas calzadas mayas en el norte de Guatemala, reveló 17 caminos elevados que conectan la antigua ciudad de El Mirador con otros sitios. En 2018, los arqueólogos que usaron lidar descubrieron más de 60,000 estructuras hechas por el hombre en la Reserva de la Biosfera Maya, un "gran avance" que mostró que la civilización maya era mucho más grande de lo que se pensaba anteriormente.

Vehículos autónomos

Los vehículos autónomos pueden usar lidar para detectar y evitar obstáculos para navegar de manera segura a través de entornos. La introducción de lidar fue un acontecimiento fundamental que fue el habilitador clave detrás de Stanley, el primer vehículo autónomo en completar con éxito el Gran Desafío de DARPA. 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.

Las primeras generaciones de sistemas de control de crucero adaptativo para automóviles usaban solo sensores lidar.

Detección de objetos para sistemas de transporte

En los sistemas de transporte, para garantizar la seguridad de los vehículos y los pasajeros y para desarrollar sistemas electrónicos que brinden asistencia al conductor, es esencial comprender el vehículo y el entorno que lo rodea. Los sistemas Lidar juegan un papel importante en la seguridad de los sistemas de transporte. Muchos sistemas electrónicos que se suman a 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. Los tres haces superiores se utilizan para vehículos y obstáculos por delante y los haces inferiores se utilizan para detectar marcas de carril y características de la carretera. La principal ventaja de usar 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 presentes en el vehículo. medioambiente. Por el contrario, un problema importante con LIDAR es la dificultad para reconstruir datos de nubes de puntos en condiciones climáticas adversas. En lluvia intensa, por ejemplo, los pulsos de luz emitidos por el sistema lidar se reflejan parcialmente en las gotas de lluvia, lo que agrega ruido a los datos, llamados "ecos".

A continuación se mencionan varios enfoques para procesar datos LIDAR y usarlos junto con datos de otros sensores a través de la fusión de sensores para detectar las condiciones ambientales del vehículo.

Detección de obstáculos y reconocimiento del entorno vial mediante lidar

Este método propuesto por Kun Zhou et al.no solo se centra en la detección y el 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 rayos. Las tres capas superiores se utilizan para detectar los objetos delanteros, como vehículos y objetos al borde de la carretera. El sensor está hecho de material resistente a la intemperie. Los datos detectados por LIDAR se agrupan en varios segmentos y se rastrean mediante el filtro de Kalman. El agrupamiento 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.Los datos de intensidad de reflexión de Lidar también se utilizan para la detección de bordillos al hacer uso de una regresión robusta para tratar las oclusiones. La señalización vial se detecta utilizando un método Otsu modificado al distinguir superficies ásperas y brillantes.Ventajas

Los reflectores al borde de la carretera que indican el borde del carril a veces están ocultos por varias razones. Por lo tanto, se necesita otra información para reconocer el borde de la carretera. El lidar utilizado en este método puede medir la reflectividad del objeto. Por lo tanto, con estos datos también se puede reconocer el borde de la carretera. Además, el uso de un sensor con cabeza resistente a la intemperie ayuda a detectar los 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 de 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 a estimar el impacto de conducir sobre ellos.

Los sistemas Lidar brindan 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.

Se ha demostrado que el lidar se puede manipular, de modo que se engaña a los automóviles autónomos para que tomen medidas evasivas.

Biología y conservación

Lidar también ha encontrado muchas aplicaciones en la silvicultura. Las alturas del dosel, las mediciones de biomasa y el área foliar se pueden estudiar utilizando sistemas lidar aerotransportados. De manera similar, lidar también es utilizado por muchas industrias, incluidas la energía y el ferrocarril, y el Departamento de Transporte como una forma más rápida de realizar levantamientos topográficos. Los mapas topográficos también se pueden generar fácilmente a partir de LIDAR, incluso para uso recreativo, como en la producción de mapas de orientación. Lidar también se ha aplicado para estimar y evaluar la biodiversidad de plantas, hongos y animales.

Además, la Liga Save the Redwoods ha emprendido un proyecto para mapear las secuoyas altas en la costa norte de California. Lidar permite a los científicos investigadores no solo medir la altura de árboles previamente no mapeados, sino también determinar la biodiversidad del bosque de secuoyas. Stephen Sillett, que está trabajando con la Liga en el proyecto lidar de la costa norte, afirma que esta tecnología será útil para dirigir los esfuerzos futuros para preservar y proteger las secuoyas antiguas.

Geología y ciencia del suelo

Los mapas de elevación digitales de alta resolución generados por lidar aerotransportado y estacionario han llevado a avances significativos en geomorfología (la rama de las geociencias que se ocupa del origen y la evolución de la topografía de la superficie terrestre). Las capacidades de lidar para detectar características topográficas sutiles, como terrazas fluviales y riberas de canales fluviales, accidentes geográficos glaciares, para medir la elevación de la superficie terrestre debajo del dosel de la vegetación, para resolver mejor las derivadas espaciales de la elevación y para detectar cambios de elevación entre levantamientos repetidos han permitido muchos estudios novedosos de los procesos físicos y químicos que dan forma a los paisajes. En 2005, el Tour Ronde en el macizo del Mont Blanc se convirtió en la primera alta montaña alpina en la que se empleó lidar para monitorear la creciente ocurrencia de caídas de rocas severas sobre grandes paredes rocosas supuestamente causadas por el cambio climático y la degradación del permafrost a gran altura.

Lidar también se usa en geología estructural y geofísica como una combinación entre lidar aerotransportado y GNSS para la detección y estudio de fallas, para medir la elevación. El resultado de las dos tecnologías puede producir modelos de elevación extremadamente precisos para el terreno, modelos que incluso pueden medir la elevación del suelo a través de los árboles. Esta combinación se usó de manera más famosa para encontrar la ubicación de la falla de Seattle en Washington, Estados Unidos. Esta combinación también mide el levantamiento en Mount St. Helens mediante el uso de datos de antes y después del levantamiento de 2004. Los sistemas lidar aerotransportados monitorean los glaciares y tienen la capacidad de detectar cantidades sutiles de crecimiento o disminución. Un sistema basado en satélites, el NASA ICESat, incluye un subsistema lidar para este propósito. El mapeador topográfico aerotransportado de la NASAtambién se usa ampliamente para monitorear glaciares y realizar análisis de cambios costeros. La combinación también es utilizada por los científicos del suelo al crear un estudio de suelo. El modelado detallado del terreno permite a los científicos del suelo ver los cambios de pendiente y las rupturas del relieve que indican patrones en las relaciones espaciales del suelo.

Atmósfera

Inicialmente, basado en láseres de rubí, el lidar para aplicaciones meteorológicas se construyó 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 el perfilado de nubes, la medición de vientos, el estudio de aerosoles y la cuantificación de diversos componentes atmosféricos. Los componentes atmosféricos, a su vez, pueden proporcionar información útil, incluida la presión superficial (al medir 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 lidar atmosféricos pueden ser terrestres, aéreos o satelitales, según el tipo de medición.

La teledetección atmosférica Lidar funciona de dos maneras:

1. midiendo la retrodispersión de la atmósfera, y
2. midiendo el reflejo disperso del suelo (cuando el lidar está en el aire) u otra superficie dura.

La retrodispersión de la atmósfera proporciona directamente una medida de las nubes y los aerosoles. Otras medidas derivadas de la retrodispersión, como los vientos o los cristales de hielo de cirros, requieren una cuidadosa selección de la longitud de onda y/o la polarización detectada. El lidar Doppler y el lidar Rayleigh Doppler se utilizan para medir la temperatura y/o la velocidad del viento a lo largo del haz midiendo la frecuencia de la luz retrodispersada. El ensanchamiento Doppler de gases en movimiento permite la determinación de propiedades a través del cambio de frecuencia resultante. Los lidars de exploración, como el HARLIE LIDAR de exploración cónica de la NASA, se han utilizado para medir la velocidad del viento atmosférico.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. Se utilizó un sistema lidar doppler en los Juegos Olímpicos de verano de 2008 para medir los campos de viento durante la competencia de yates.

Los sistemas lidar Doppler también están comenzando a aplicarse con éxito en el sector de las energías renovables para adquirir datos de velocidad del viento, turbulencia, viraje del viento y cizalladura del viento. Se están utilizando sistemas de onda pulsada y continua. Los sistemas pulsados ​​utilizan la temporización de la señal para obtener una resolución de la distancia vertical, mientras que los sistemas de onda continua se basan en el enfoque del detector.

Se ha propuesto el término eólica para describir el estudio colaborativo e interdisciplinario del viento utilizando simulaciones de mecánica de fluidos computacional y mediciones lidar Doppler.

El reflejo en el suelo de un lidar aerotransportado da una medida de la reflectividad de la superficie (suponiendo que la transmitancia atmosférica sea bien conocida) en la longitud de onda del lidar, sin embargo, el reflejo en el suelo se usa típicamente 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 (<1 nm) para descartar 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 ajustan a 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 Absorción Diferencial de Trayectoria Integrada.(IPDA), ya que es una medida de la absorción integrada a lo largo de todo el camino LIDAR. Los lidar IPDA pueden ser pulsados ​​o CW y, por lo general, usan dos o más longitudes de onda. Los lidars IPDA se han utilizado para la detección remota de dióxido de carbono y metano.

El lidar de matriz sintética permite generar imágenes lidar sin necesidad de un detector de matriz. Se puede utilizar para obtener imágenes de velocimetría Doppler, imágenes de velocidad de fotogramas ultrarrápida (MHz), así como para la reducción de manchas en lidar coherente. Grant proporciona una extensa bibliografía sobre lidar para aplicaciones atmosféricas e hidrosféricas.

Cumplimiento de la ley

La policía utiliza las pistolas de velocidad Lidar para medir la velocidad de los vehículos con el fin de hacer cumplir los límites de velocidad. Además, se utiliza en medicina forense para ayudar en las investigaciones de la escena del crimen. Se toman escaneos de una escena para registrar los detalles exactos de la ubicación del objeto, la sangre y otra información importante para una revisión posterior. Estos escaneos también se pueden usar para determinar la trayectoria de la bala en casos de tiroteos.

Militar

Se sabe que existen pocas aplicaciones militares y están clasificadas (como la medición de velocidad basada en lidar del misil de crucero nuclear sigiloso AGM-129 ACM), pero se está realizando una cantidad considerable de investigación sobre su uso para la obtención de imágenes. Los sistemas de mayor resolución recopilan suficientes detalles para identificar objetivos, como tanques. Los ejemplos de aplicaciones militares de lidar incluyen el Sistema de detección de minas láser aerotransportado (ALMDS) para la guerra contra minas de Areté Associates.

Un informe de la OTAN (RTO-TR-SET-098) evaluó las tecnologías potenciales para realizar una detección independiente 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: Sobre la base de 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 independientes es UV-LIF, sin embargo, a largo plazo, otras técnicas, como la espectroscopia Raman separada, 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.

El Sistema de Detección de Separación Biológica de Largo Alcance (LR-BSDS) fue desarrollado por el Ejército de EE. UU. para proporcionar la advertencia de separación más temprana posible de un ataque biológico. Es un sistema aerotransportado transportado por helicóptero para detectar nubes de aerosoles sintéticos que contienen agentes biológicos y químicos a larga distancia. El LR-BSDS, con un rango de detección de 30 km o más, se lanzó en junio de 1997. 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 DARPA Grand Challenge 2005..

Un Boeing AH-6 robótico realizó un vuelo completamente autónomo en junio de 2010, lo que incluyó evitar obstáculos usando lidar.

Minería

El cálculo de los volúmenes de mineral se logra mediante un escaneo periódico (mensual) en las áreas de remoción de mineral, y luego se comparan los datos de la superficie con el escaneo anterior.

Los sensores Lidar también se pueden usar para detectar y evitar obstáculos en vehículos mineros robóticos, como en el Sistema de Transporte Autónomo (AHS) de Komatsu que se usa en la Mina del Futuro de Rio Tinto.

Física y astronomía

Una red mundial de observatorios utiliza lidars 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 (Lunar Orbiter Laser Altimeter (LOLA)), Mercurio (Mercury Laser Altimeter (MLA)), NEAR–Shoemaker Laser Rangefinder (NLR). Las misiones futuras también incluirán experimentos de altímetro láser como el altímetro láser de Ganímedes (GALA) como parte de la misión Explorador de lunas heladas de Júpiter (JUICE).

En septiembre de 2008, el Phoenix Lander de la NASA utilizó lidar para detectar nieve en la atmósfera de Marte.

En física atmosférica, el lidar se utiliza como un instrumento de detección remota para medir las densidades de ciertos constituyentes de la atmósfera media y alta, 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.

En las instalaciones de investigación de fusión nuclear JET, en el Reino Unido cerca de Abingdon, Oxfordshire, se utiliza la dispersión lidar Thomson para determinar los perfiles de temperatura y densidad de electrones del plasma.

Mecanica de rocas

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 3-D obtenidas por medio del lidar. Algunas de estas propiedades son:

• Orientación a la discontinuidad
• Espaciado de discontinuidad y RQD
• Apertura de discontinuidad
• persistencia de la discontinuidad
• rugosidad de discontinuidad
• Infiltración de agua

Algunas de estas propiedades se han utilizado para evaluar la calidad geomecánica del macizo rocoso a través del 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. Además, la comparación de diferentes nubes de puntos tridimensionales de una pendiente adquirida en diferentes momentos permite estudiar los cambios producidos en la escena durante este intervalo de tiempo como consecuencia de desprendimientos de rocas o cualquier otro proceso de deslizamiento.

TOR

THOR es un láser diseñado para medir las condiciones atmosféricas de la Tierra. El láser entra en una capa de nubes y mide el espesor del halo de retorno. El sensor tiene una apertura de fibra óptica con un ancho de 7,5 pulgadas que se utiliza para medir la luz de retorno.

Robótica

La tecnología Lidar se está utilizando en robótica para la percepción del entorno y la clasificación de objetos. La capacidad de la tecnología lidar para proporcionar mapas de elevación tridimensionales del terreno, la distancia al suelo de alta precisión y la velocidad de aproximación puede permitir el aterrizaje seguro de vehículos robóticos y tripulados con un alto grado de precisión. Lidar también se usa ampliamente en robótica para la localización y el mapeo simultáneos y está bien integrado en los simuladores de robots. Consulte la sección Militar anterior para obtener más ejemplos.

Vuelo espacial

Lidar se utiliza cada vez más para la determinación de distancias y el cálculo de elementos orbitales de la velocidad relativa en operaciones de proximidad y el mantenimiento de la posición de las 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 partículas diminutas en la atmósfera y regresar a un telescopio alineado con el láser de la nave espacial. Al cronometrar con precisión el 'eco' del lidar y al medir la cantidad de luz láser que recibe el telescopio, los científicos pueden determinar con precisión la ubicación, la distribución y la naturaleza de las partículas. El resultado es una nueva herramienta revolucionaria para estudiar los componentes de la atmósfera, desde las gotas de las nubes hasta los contaminantes industriales, que son difíciles de detectar por otros medios".

La altimetría láser se utiliza para hacer mapas digitales de elevación de los planetas, incluido el mapeo del altímetro láser orbital de Marte (MOLA) de Marte, el altímetro láser orbital lunar (LOLA) y el altímetro lunar (LALT) de la Luna, y el altímetro láser de mercurio ( MLA) cartografía de Mercurio. También se utiliza para ayudar a navegar el helicóptero Ingenuity en sus vuelos récord sobre el terreno de Marte.

Agrimensura

Los sensores lidar aerotransportados son utilizados por empresas en el campo de la teledetección. Se pueden utilizar para crear un DTM (Modelo Digital de Terreno) o un DEM (Modelo Digital de Elevación); esta es una práctica bastante común para áreas más grandes, ya que un avión puede adquirir franjas de 3 a 4 km de ancho en un solo paso elevado. Se puede lograr una mayor precisión vertical de menos de 50 mm con un paso elevado más bajo, incluso en bosques, donde puede proporcionar la altura del dosel y la elevación del suelo. Por lo general, se necesita un receptor GNSS configurado sobre un punto de control georreferenciado para vincular los datos con el WGS (World Geodetic System).

LiDAR también se utilizan en levantamientos hidrográficos. Dependiendo de la claridad del agua, LiDAR puede medir profundidades de 0,9 ma 40 m con una precisión vertical de 15 cm y una precisión horizontal de 2,5 m.

Silvicultura

También se han aplicado sistemas LIDAR para mejorar la gestión forestal. Las mediciones se utilizan para hacer un inventario en las parcelas forestales, así como para calcular la altura de los árboles individuales, el ancho de la copa y el diámetro de la copa. Otros análisis estadísticos usan datos LIDAR para estimar la información total de la parcela, como el volumen del dosel, las alturas media, mínima y máxima, y ​​las estimaciones de la cobertura vegetal. El LiDAR aéreo se ha utilizado 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.

Transporte

Lidar se ha utilizado en la industria ferroviaria para generar informes de estado de activos para la gestión de activos y por los departamentos de transporte para evaluar las condiciones de sus carreteras. CivilMaps.com es una empresa líder en el campo. Lidar se ha utilizado en sistemas de control de crucero adaptativo (ACC) para automóviles. Los sistemas como los de Siemens, Hella, Ouster y Cepton utilizan un dispositivo lidar montado en la parte delantera del vehículo, como el parachoques, para monitorear la distancia entre el vehículo y cualquier vehículo que se encuentre frente a él.En caso de que el vehículo de adelante disminuya la velocidad o esté demasiado cerca, el ACC aplica los frenos para reducir la velocidad del vehículo. Cuando el camino por delante 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 rutas de aproximación a la pista.

Optimización de parques eólicos

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. Los sistemas lidar experimentales pueden montarse en la góndola de una turbina eólica o integrarse en el rotor giratorio para medir los vientos horizontales que se aproximan, los vientos en la estela de la turbina eólica y ajustar proactivamente las palas para proteger los componentes y aumentar la potencia. Lidar también se usa para caracterizar el recurso eólico incidente para compararlo con la producción de energía de la turbina eólica para verificar el rendimiento de la turbina eólica midiendo la curva de potencia de la turbina eólica. La optimización de parques eólicos puede considerarse un tema en eólica aplicada. Otro aspecto de Lidar en la industria relacionada con la energía eólica es el uso de la dinámica de fluidos computacional sobre superficies escaneadas por Lidar para evaluar el potencial eólico, que se puede utilizar para la ubicación óptima de los parques eólicos.

Optimización del despliegue solar fotovoltaico

Lidar también se puede utilizar para ayudar a los planificadores y desarrolladores a optimizar los sistemas solares fotovoltaicos a nivel de ciudad al determinar los techos apropiados y las pérdidas por sombra. Los esfuerzos recientes de escaneo láser aerotransportado se han centrado en formas de estimar la cantidad de luz solar que incide en las fachadas verticales de los edificios, o incorporando pérdidas de sombra más detalladas al considerar la influencia de la vegetación y el terreno circundante más grande.

Juegos de vídeo

Los juegos de carreras de simulación recientes como rFactor Pro, iRacing, Assetto Corsa y Project CARS cuentan cada vez más con pistas de carreras reproducidas a partir de nubes de puntos 3D adquiridas a través de levantamientos Lidar, lo que da como resultado superficies replicadas con precisión centimétrica o milimétrica en el entorno 3D del juego..

El juego de exploración de 2017 Scanner Sombre, de Introversion Software, utiliza Lidar como una mecánica de juego fundamental.

En Build the Earth, Lidar se usa para crear representaciones precisas del terreno en Minecraft para tener en cuenta cualquier error (principalmente con respecto a la elevación) en la generación predeterminada. El proceso de representación del 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 de bloque.

Otros usos

Se creía que el video de la canción de 2007 "House of Cards" de Radiohead era el primer uso del escaneo láser 3D en tiempo real para grabar un video musical. Los datos de rango en el video no provienen completamente de un lidar, ya que también se usa el escaneo de luz estructurada.

En 2020, Apple presentó la cuarta generación de iPad Pro con un sensor lidar integrado en el módulo de la cámara trasera, especialmente desarrollado para experiencias de realidad aumentada (AR). La función se incluyó más tarde en el iPhone 12 Pro y el iPhone 12 Pro Max y modelos posteriores.

Tecnologías alternativas

El desarrollo reciente de las tecnologías Structure From Motion (SFM) permite entregar imágenes y mapas en 3D basados ​​en datos extraídos de fotografías visuales e IR. Los datos de elevación o 3-D se extraen utilizando varias pasadas paralelas sobre el área mapeada, lo que produce imágenes de luz visual y estructura 3-D del mismo sensor, que a menudo es una cámara digital especialmente elegida y calibrada.

La visión estéreo por computadora se ha mostrado prometedora como una alternativa a LiDAR para aplicaciones de corto alcance.