O que é LiDAR?
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Dois trabalhadores sentados em uma mesa compartilhada, ambos olhando para o monitor do computador

LiDAR, um acrônimo para “detecção e alcance de luz”, é uma tecnologia de sensoriamento remoto que usa feixes de laser para medir distâncias e movimentos precisos em um ambiente, em tempo real.

Os dados de LiDAR podem ser utilizados para gerar tudo, desde mapas topográficos detalhados até modelos 3D precisos e dinâmicos necessários para guiar com segurança um veículo autônomo através de um ambiente de rápida e constante mudança. A tecnologia LiDAR também é usada para avaliar perigos e desastres naturais como fluxos de lava, deslizamentos de terra, tsunamis e inundações.

Como funciona o LiDAR

LiDAR trabalha com os mesmos princípios do radar ("detecção de rádio e variação", um sistema de localização frequentemente usado por navios e aviões) e sonar ("navegação e variação sônica", um sistema normalmente usado por submarinos). Todas as três tecnologias emitem ondas de energia para detectar e rastrear objetos. A diferença é que enquanto o radar utiliza micro-ondas e sonar utiliza ondas sonares, o LiDAR utiliza luz refletida, que pode medir a distância mais rapidamente, com maior precisão e maior resolução do que o radar ou sonar.

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 precisam ser exatas, então um sistema LiDAR também utilizará eletrônicos de manutenção de tempo, uma unidade de medição inercial (IMU) e GPS.

Medição de LiDAR

O instrumento LiDAR emite luz pulsátil a laser para o ambiente. Esses pulsos, viajando na velocidade da luz, saltam dos objetos ao redor e retornam ao sensor LiDAR. O sensor mede o tempo que levou para cada pulso retornar e calcula a distância percorrida. Uma vez que a velocidade da luz a laser é constante, esta "hora de voo" pode ser utilizada para calcular distâncias muito precisas.

Ao repetir o processo e enviar pulsos a laser para uma área maior, as medições de tempo de voo podem ser recolhidas em bilhões de pontos individuais e processadas em tempo real no que é conhecido como um clou de ponto LiDAR

Análise e modelagem de dados do LiDAR

Para transformar a nuvem de pontos LiDAR em um mapa 3D, os dados passam por várias etapas de processamento. Primeiro, ele é verificado quanto à exatidão e integridade e limpo para remover ruídos anômalos. Em seguida, as características da superfície do solo, como edifícios, margens de rios e dossel florestal, podem ser identificadas e classificadas de forma algorítmica.

Para facilitar a análise dos dados, os algoritmos diminuem a amostragem da nuvem de pontos para remover dados redundantes e reduzir seu tamanho de arquivo, depois convertê-los em LAS (ou LASer), um formato de arquivo padrão do setor usado para a troca de dados tuplos tridimensionais x,y,z.

Finalmente, uma vez convertidos em LAS, os dados da nuvem de pontos podem ser visualizados e modelados em um mapa 3D do terreno digitalizado. Para um sistema de LiDAR em movimento, como aqueles utilizados em veículos autônomos, estes cálculos são constantes e contínuos. De acordo com uma fonte, carros autônomos geram e processam um terabyte de dados a cada hora de operação.1

Tipos de LiDAR

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

Sistemas LiDAR transportados pelo ar, também chamados sistemas de varredura a laser transportados pelo ar, usam leitores LiDAR montados em aeronaves (geralmente helicópteros ou UAVs) para gerar modelos 3D da superfície do solo.

O mapeamento LiDAR aerotransportado tornou-se uma ferramenta valiosa para a criação de modelos digitais de elevação da superfície da Terra, substituindo amplamente o método mais antigo e menos preciso da fotogrametria. O escaneamento LiDAR aerotransportado também é amplamente usado na silvicultura para criar levantamentos LiDAR do dossel da floresta e modelos de terreno topográfico da superfície do solo da floresta.

Os tipos de tecnologia LiDAR transportada pelo ar incluem:

LiDAR Batimétrico
LiDAR Batimétrico é utilizado para capturar dados GIS em água rasa e ao longo das linhas costeiras. Em vez da luz do laser infravermelho usada pelos sistemas LiDAR típicos, o LiDAR batimétrico emite feixes de laser verde em um comprimento de onda capaz de penetrar na água para medir a elevação digital do fundo do mar.

LiDAR baseado no espaço
O LiDAR baseado no espaço é usado pela NASA e por outras agências espaciais para auxiliar na navegação de espaçonaves e para realizar estudos atmosféricos e da superfície do solo e fazer mapas digitais de elevação da Terra, da Lua, de Marte e de Mercúrio. O LiDAR também é usado para pilotar os veículos autônomos da NASA e pilotar o helicóptero Ingenuity em Marte.

LiDAR Terrestre

LiDAR Terrestrial é um sistema LiDAR baseado em terreno frequentemente utilizado para mapeamento de terreno e paisagem. O LiDAR Terrestrial pode ser usado para coletar dados mais localizados e de curto alcance, tornando-o ideal para mapear áreas menores com alta precisão.

Os tipos de LiDAR terrestre incluem:

LiDAR estático
Alguns sistemas LiDAR terrestres são estáticos, fixados em um local e usados para fazer varreduras LiDAR precisas e repetidas de uma única área. O LiDAR estático é frequentemente usado em sítios arqueológicos, projetos de construção e para tipos específicos de avaliação de riscos, como o monitoramento da superfície do solo de um vulcão ativo, falha de terremoto ou zona de inundação.

LiDAR móvel
O LiDAR móvel é uma forma de LiDAR terrestre que pode coletar dados LiDAR de um veículo em movimento. Os sistemas LiDAR móveis (MLSs) tornaram-se fundamentais para o setor automotivo no desenvolvimento da assistência ao motorista e da direção autônoma: a coleta de dados de detecção e alcance de luz em tempo real permite que os carros autônomos identifiquem os ativos e a infraestrutura das estradas de forma rápida, precisa e econômica.

Aplicações do LiDAR

Como as varreduras LiDAR podem criar modelos de terreno detalhados da superfície do solo e do fundo do mar e também criar visualizações precisas e de alta resolução em tempo real de objetos em movimento, ele tem uma ampla gama de usos no mundo real em muitos setores, incluindo: 

Agricultura

Sensores de LiDAR são usados para medir paisagismo agrícola e topografia, para estimativa de biomassa de colheita e para detectar propriedades do solo mapeando variações de profundidade, inclinação, umidade e aspecto. LiDAR também é usado para pilotar veículos agrícolas autônomos.

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Aeroespacial e defesa

O LiDAR é usado para mapeamento de terreno, rastreamento de alvos, caça a minas e geração de imagens através de nuvens, além de planejamento de missão utilizando visualizações sofisticadas do campo de batalha, mesmo em ambientes urbanos densos.

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Automotivo

Sistemas avançados de assistência ao motorista (ADAS) e veículos autônomos, como carros autônomos, utilizam dados de mapa LiDAR 3D para "ver" e navegar pelas estradas e outros ambientes.

 

Aviação

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).

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Batimetria

O LiDAR batimétrico usa luz laser verde para penetrar na água e criar modelos digitais de elevação de reservatórios de águas rasas, rios e fundos marinhos costeiros. Eles podem ser usados para medir a erosão, mapear o habitat da vida selvagem e avaliar o risco dentro das zonas de inundação.

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Construção

O LiDAR pode pesquisar de forma rápida e precisa um local de construção, calcular o volume de materiais e ser usado para realizar inspeções de segurança e detectar possíveis perigos.

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Energia

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.

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Entretenimento

O LiDAR é usado para mapear ambientes em aplicações de realidade virtual e realidade aumentada.

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Silvicultura

Além de fornecer mapas topográficos detalhados, o LiDAR pode ser utilizado para medir as características estruturais de árvores, como índice de área da folha e volume de copa da floresta, e é uma ferramenta valiosa no gerenciamento de vegetação. É também usado para monitorar e conter incêndios florestais.

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Geologia e mineração

Minas e pedreiras são de difícil acesso, e o LiDAR é cada vez mais usado para levantamento, mapeamento e segurança do trabalhador. As varreduras LiDAR também podem ser usadas para medições de volume em pedreiras.

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Manufatura

A tecnologia LiDAR pode ser usada para criar modelos 3D de objetos para uso na fabricação e também para controle de qualidade para detectar anomalias e defeitos.

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Mapeamento

LiDAR é utilizado para criar modelos de elevação digital e mapear estradas, pontes e outras feições geográficas e de infraestrutura.

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Controle de vegetação

O LiDAR pode ser usado para escanear o dossel da floresta e monitorar a densidade, as espécies e a saúde da vegetação, para identificar a vegetação que pode representar um alto risco para os serviços públicos e outras infraestruturas.

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Previsão meteorológica

Os sensores LiDAR são usados para medir a temperatura, a cobertura de nuvens, a velocidade do vento, a densidade do ar e outros parâmetros atmosféricos, e fornecem dados vitais para os modelos de previsão do tempo.

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O futuro do LiDAR

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 se tornando cada vez mais popular em veículos autônomos e espera-se que desempenhe um papel significativo no futuro dos automóveis.

À medida que a tecnologia continua melhorando e os custos diminuindo, é provável que as aplicações de LiDAR aumentem drasticamente.

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Notas de rodapé

1David Edwards,A " caminho de resolver o problema do Big Data em direção autônoma, " robótica e automação, 21 de julho de 2022. (link externo a ibm.com).