O que é LiDAR?
LiDAR, sigla para “light detection and ranging” (detecção e alcance por luz), é uma tecnologia de sensoriamento remoto que usa feixes de laser para medir distâncias e movimentos com precisão, em tempo real.
Os dados de LiDAR permitem criar desde mapas topográficos detalhados até modelos 3D precisos e dinâmicos, essenciais para orientar com segurança um veículo autônomo em ambientes que mudam o tempo todo. A tecnologia LiDAR também ajuda a avaliar riscos e desastres naturais, como fluxos de lava, deslizamentos, tsunamis e enchentes.
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O LiDAR funciona com os mesmos princípios do radar ("detecção e localização por rádio", um sistema de localização comum em navios e aviões) e do sonar ("navegação e localização por som", geralmente usado por submarinos). As três tecnologias emitem ondas de energia para detectar e acompanhar objetos. A diferença é que, enquanto o radar usa micro-ondas e o sonar utiliza ondas sonoras, o LiDAR utiliza luz refletida, que mede distâncias de forma mais rápida, com mais precisão e resolução superior.
Componentes de LiDAR
Um instrumento LiDAR típico é composto por vários componentes:
- um scanner a laser que emite pulsos rápidos de luz laser infravermelha próxima
- um sensor LiDAR usado para detectar e coletar os pulsos de luz de retorno, e
- um processador para calcular o tempo e distância e para construir o conjunto de dados resultante, chamado de nuvem de ponto LiDAR.
Para que a detecção remota seja precisa, as medições de tempo e espaço devem ser exatas; então, um sistema LiDAR também utilizará sistemas eletrônicos de registro de tempo, uma unidade de medição inercial (IMU) e GPS.
Medição do LiDAR
O equipamento LiDAR lança pulsos de luz laser no ambiente. Esses pulsos, ao se moverem na velocidade da luz, refletem nos objetos próximos e voltam ao sensor LiDAR. O sensor registra o tempo de retorno de cada pulso e calcula a distância percorrida. Como a luz laser tem velocidade constante, o “tempo de voo” serve para medir distâncias com exatidão.
Quando repete o processo e emite pulsos de laser em uma área ampla, o sistema reúne medições de tempo de voo em bilhões de pontos individuais e as transforma em tempo real em uma nuvem de pontos LiDAR.
Análise e modelagem de dados do LiDAR
O sistema passa os dados por várias etapas de processamento para transformar a nuvem de pontos LiDAR em um mapa 3D. Primeiro, ele verifica a precisão e integridade dos dados e remove ruídos anômalos. Depois, identifica e classifica, por meio de algoritmos, elementos do terreno como edifícios, margens de rios e a copa das árvores.
Para facilitar a análise, os algoritmos reduzem a nuvem de pontos, eliminando dados redundantes e diminuindo o tamanho do arquivo. Em seguida, os dados são convertidos para o formato padrão do setor, LAS (ou LASer), usado na troca de dados 3D x, y, z.
Por fim, depois de converter os dados da nuvem de pontos para o formato LAS, o sistema pode visualizá-los e modelá-los como um mapa 3D do terreno escaneado. Em sistemas LiDAR móveis, como os usados por veículos autônomos, esses cálculos ocorrem constantemente. Segundo uma fonte, carros autônomos geram e processam um terabyte de dados a cada hora de operação.1
Os sistemas LiDAR podem ser divididos em dois tipos principais com base em sua plataforma: LiDAR transportado pelo ar e LiDAR terrestre.
LiDAR transportado pelo ar
Os sistemas Airborne LiDAR, também conhecidos como sistemas de varredura a laser aérea, usam scanners LiDAR instalados em aeronaves (geralmente helicópteros ou UAVs) para criar modelos 3D da superfície do solo.
O mapeamento com LiDAR aéreo se tornou uma ferramenta essencial na criação de modelos digitais de elevação da superfície terrestre, substituindo principalmente a fotogrametria, que é mais antiga e menos precisa. O escaneamento LiDAR aéreo também é amplamente usado na área florestal para gerar levantamentos da copa das árvores e modelos topográficos do solo das florestas.
Os tipos de tecnologia LiDAR transportada pelo ar incluem:LiDAR Bathymetric
O LiDAR Bathymetric captura dados GIS em águas rasas e ao longo das linhas costeiras. O LiDAR Bathymetric emite feixes de laser verdes em um comprimento de onda que pode penetrar na água, para medir a elevação digital do fundo do mar, em vez de usar luz laser infravermelha como os sistemas LiDAR típicos.
LiDAR baseado no espaço
A NASA e outras agências espaciais usam o LiDAR baseado no espaço para navegação de espaçonaves e mapeamento digital de corpos celestes. O LiDAR também é usado para pilotar os veículos autônomos da NASA e pilotar o helicóptero Ingenuity em Marte.
LiDAR Terrestre
O LiDAR terrestre é um sistema baseado em solo, usado com frequência para mapear terrenos e paisagens. Ele coleta dados mais localizados e de curto alcance, ideal para mapear áreas menores com alta precisão.
Os tipos de LiDAR terrestre incluem:
LiDAR estático
Alguns sistemas LiDAR terrestres são estáticos, fixos em um local e usados para fazer varreduras LiDAR precisas e repetidas de uma única área. O LiDAR estático é frequentemente usado para sítios arqueológicos, projetos de construção e avaliações de riscos. Ele pode monitorar a superfície do solo de vulcões ativos, falhas de terremotos e zonas de inundação.
LiDAR móvel
O LiDAR móvel é uma forma de LiDAR terrestre que coleta dados LiDAR de um veículo em movimento. Os sistemas móveis de LiDAR (MLSs) são fundamentais para o setor automotivo no desenvolvimento de assistência ao motorista e direção autônoma: a coleta de dados em tempo real por meio de detecção e alcance de luz permite que os carros autônomos identifiquem ativos e estruturas das vias com rapidez, precisão e economia.
As varreduras LiDAR têm uma ampla variedade de aplicações práticas em diversos setores. Elas criam modelos detalhados do terreno e do fundo do mar e também geram visualizações em tempo real de alta precisão e resolução de objetos em movimento.
Os sensores LiDAR medem a topografia e o relevo agrícola, estimam a biomassa das plantações e detectam propriedades do solo ao mapear variações de profundidade, inclinação, umidade e exposição solar. O LiDAR também pilota veículos agrícolas autônomos.
O LiDAR mapeia terrenos, rastreia alvos, localiza minas, atravessa nuvens com imagens e ajuda no planejamento de missões com visualizações avançadas de campos de batalha, mesmo em áreas urbanas densas.
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Sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e veículos autônomos, como carros autônomos, usam dados de mapa LiDAR 3D para "ver" e navegar pelas estradas e outros ambientes.
LiDAR pode ser usado para medições precisas da velocidade do vento, e também é usado por aeroportos para rastrear aeronaves e detritos de objetos estrangeiros (FOD).
O LiDAR batimétrico usa laser verde para penetrar na água e gerar modelos digitais de elevação de reservatórios rasos, rios e fundos costeiros. Esses modelos ajudam a medir erosão, mapear habitats naturais e avaliar riscos em zonas de inundação.
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O LiDAR pode pesquisar de forma rápida e precisa um canteiro de obras, calcular o volume de materiais e ser usado para realizar inspeções de segurança e detectar possíveis perigos.
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A tecnologia LiDAR é usada para avaliação de recursos eólicos, exploração de petróleo e gás e gestão de vegetação para a manutenção de linhas de energia.
O LiDAR é usado para mapear ambientes em aplicações de realidade virtual e realidade aumentada.
Além de gerar mapas topográficos detalhados, o LiDAR mede características estruturais das árvores, como o índice de área foliar e o volume da copa, sendo uma ferramenta essencial no manejo da vegetação. Ele também ajuda a monitorar e conter incêndios florestais.
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O acesso a minas e pedreiras é difícil, e o LiDAR tem sido cada vez mais utilizado para levantamento, mapeamento e segurança dos trabalhadores. Também é possível usar as varreduras de LiDAR para medir volumes em pedreiras.
A tecnologia LiDAR permite criar modelos 3D de objetos para aplicação na indústria. Ela também auxilia no controle de qualidade, identificando anomalias e defeitos.
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O LiDAR é utilizado para criar modelos de elevação digital e mapear estradas, pontes e outras características geográficas e de infraestruturas.
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O LiDAR permite escanear a copa das florestas e monitorar a densidade, as espécies e a integridade da vegetação, ajudando a identificar áreas de risco para redes de energia e outras infraestruturas.
Os sensores LiDAR medem temperatura, cobertura de nuvens, velocidade do vento, densidade do ar e outros parâmetros atmosféricos, fornecendo dados essenciais para modelos de previsão do tempo.
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As equipes de pesquisa estão continuamente desenvolvendo novos sistemas e algoritmos para aumentar a precisão, velocidade e eficácia do LiDAR, e há um desenvolvimento contínuo focado em tornar a tecnologia LiDAR menor, mais leve e mais acessível. Isto permitiria uma adoção mais ampla em vários setores e aplicações, incluindo produtos eletrônicos de consumo, robótica e dispositivos domésticos inteligentes. O LiDAR está cada vez mais presente em veículos autônomos e deve ter papel essencial no futuro da indústria automotiva
Com os avanços tecnológicos e a redução de custos, as aplicações do LiDAR tendem a crescer de forma expressiva.
Recursos
Notas de rodapé
1David Edwards, "On the Way to Solving the Big Data Problem in Autonomous Driving", Robotics and Automation, 21 de julho de 2022.