LiDAR, acronimo di "light detection and range", è una tecnologia di rilevamento a distanza che utilizza raggi laser per misurare in tempo reale distanze e movimenti precisi in un ambiente.
I dati LiDAR possono essere utilizzati per generare qualsiasi cosa, dalle mappe topografiche dettagliate ai modelli 3D precisi e dinamici necessari per guidare in modo sicuro un veicolo autonomo in un ambiente in rapida evoluzione. La tecnologia LiDAR viene utilizzata anche per valutare pericoli e disastri naturali come eruzioni vulcaniche, frane, tsunami e inondazioni.
Il LiDAR funziona seguendo gli stessi principi di radar ("radiorilevamento e misurazione di distanza", un sistema di localizzazione spesso utilizzato da navi e aerei) e sonar ("sonic navigation and ranging", un sistema tipicamente utilizzato dai sottomarini). Tutte e tre le tecnologie emettono onde di energia per rilevare e tracciare gli oggetti. La differenza è che, mentre il radar utilizza le microonde e il sonar utilizza le onde sonore, il LiDAR utilizza luce riflessa, che può misurare la distanza più velocemente, con maggiore precisione e risoluzione più elevata rispetto al radar o al sonar.
Uno strumento LiDAR è solitamente costituito da diversi componenti:
- uno scanner laser che emette rapidi impulsi di luce laser quasi infrarossa
- un sensore LiDAR utilizzato per rilevare e raccogliere gli impulsi luminosi di ritorno, e
- un processore per calcolare il tempo e la distanza e per costruire il set di dati risultante, chiamato nuvola di punti LiDAR.
Affinché il rilevamento sia accurato, le misurazioni del tempo e dello spazio devono essere esatte, quindi un sistema LiDAR utilizzerà anche sistemi elettronici di cronometraggio, un'unità di misurazione inerziale (IMU) e il GPS.
Lo strumento LiDAR emette una luce laser pulsata nell'ambiente. Questi impulsi, che viaggiano alla velocità della luce, rimbalzano sugli oggetti circostanti e tornano al sensore LiDAR. Il sensore misura il tempo impiegato da ciascun impulso per tornare e calcola la distanza percorsa. Poiché la velocità della luce laser è costante, questo "tempo di percorrenza" può essere utilizzato per calcolare distanze molto precise.
Ripetendo il processo e inviando impulsi laser su un'area più ampia, è possibile raccogliere le misurazioni del tempo di percorrenza su miliardi di singoli punti ed elaborarle in tempo reale in quella che è conosciuta come nuvola di punti LiDAR
Per trasformare la nuvola di punti LiDAR in una mappa 3D, i dati attraversano diverse fasi di elaborazione. Innanzitutto ne viene controllata la correttezza e la completezza e vengono ripuliti per eliminare eventuali rumori anomali. A seguire, le caratteristiche della superficie del terreno, come edifici, sponde dei fiumi e chiome degli alberi, possono essere identificate e classificate algoritmicamente.
Per semplificare l'analisi dei dati, gli algoritmi effettuano il downsampling della nuvola di punti per rimuovere i dati ridondanti e ridurne le dimensioni, per poi convertirli in LAS (o LASer), un formato di file standard di settore utilizzato per lo scambio di dati x,y,z tridimensionali.
Infine, una volta convertiti in LAS, i dati della nuvola di punti vengono visualizzati e modellati in una mappa 3D del terreno scansionato. Per un sistema LiDAR in movimento, come quelli utilizzati nei veicoli autonomi, questi calcoli sono costanti e continui. Secondo un'unica fonte, le auto a guida autonoma generano ed elaborano un terabyte di dati ogni ora di funzionamento.1
I sistemi LiDAR possono essere suddivisi in due tipologie principali in base alla loro piattaforma: LiDAR aerei e LiDAR terrestri.
I sistemi LiDAR aerei, chiamati anche sistemi di scansione laser aerei, utilizzano scanner LiDAR montati su velivoli (di solito elicotteri o UAV) per generare modelli 3D della superficie del terreno.
La mappatura LiDAR aerea è diventata uno strumento prezioso per la creazione di modelli digitali dell'elevazione della superficie terrestre, sostituendo in gran parte il metodo più vecchio e meno accurato della fotogrammetria. La scansione LiDAR aerea viene anche ampiamente utilizzata nella silvicoltura per realizzare rilievi LiDAR della copertura forestale e modelli topografici del terreno.
I tipi di tecnologia LiDAR aerea includono:
LiDAR batimetrico
Il LiDAR batimetrico viene utilizzato per acquisire dati GIS in acque poco profonde e lungo la costa. Al posto della luce laser a infrarossi utilizzata dai tipici sistemi LiDAR, il LiDAR batimetrico emette raggi laser verdi a una lunghezza d'onda in grado di penetrare l'acqua per misurare l'elevazione digitale del fondale marino.
LiDAR spaziale
Il LiDAR spaziale viene utilizzato dalla NASA e da altre agenzie spaziali per assistere nella navigazione di veicoli spaziali, per eseguire studi sulla superficie atmosferica e terrestre e creare mappe digitali di elevazione di Terra, Luna, Marte e Mercurio. Il LiDAR viene utilizzato anche per pilotare i veicoli autonomi della NASA e far volare l'elicottero Ingenuity su Marte.
Il LiDAR terrestre è un sistema LiDAR spesso utilizzato per la mappatura del terreno e del paesaggio. Il LiDAR terrestre può essere utilizzato per raccogliere dati più localizzati e a corto raggio, il che lo rende ideale per mappare aree più piccole con elevata precisione.
I tipi di LiDAR terrestre includono:
LiDAR statico
Alcuni sistemi LiDAR terrestri sono statici, fissati in una posizione e utilizzati per effettuare scansioni LiDAR precise e ripetute di una singola area. Il LiDAR statico è spesso utilizzato nei siti archeologici, nei progetti edili e per particolari tipi di valutazione dei rischi, ad esempio il monitoraggio della superficie del suolo di un vulcano attivo, di una faglia sismica o di una zona alluvionale.
LiDAR mobile
Il LiDAR mobile è una forma di LiDAR terrestre in grado di raccogliere dati LiDAR da un veicolo in movimento. I sistemi LiDAR mobili (MLS) sono diventati fondamentali per l'industria automobilistica nello sviluppo dell'assistenza alla guida e della guida autonoma: la raccolta dati dal rilevamento e dalla misurazione della luce in tempo reale consente alle auto a guida autonoma di identificare risorse e infrastrutture stradali in modo rapido, accurato e conveniente.
Poiché le scansioni LiDAR creano modelli dettagliati del terreno della superficie del suolo e del fondale marino, oltre a visualizzazioni precise e ad alta risoluzione in tempo reale degli oggetti in movimento, hanno una vasta gamma di usi nel mondo reale in molti settori, tra cui:
I sensori LiDAR vengono utilizzati per misurare il paesaggio agricolo e la topografia, per la stima della biomassa delle colture e per rilevare le proprietà del suolo mappando le variazioni di profondità, pendenza, umidità e aspetto. Il LiDAR viene utilizzato anche per pilotare veicoli agricoli autonomi.
Il LiDAR viene utilizzato per mappare il terreno, localizzare gli obiettivi, rilevare le mine e acquisire le immagini attraverso il cloud e la pianificazione delle missioni utilizzando sofisticate visualizzazioni del campo di battaglia anche in ambienti urbani densi.
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I sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) e i veicoli autonomi, come le auto a guida autonoma, sfruttano i dati cartografici LiDAR 3D per "vedere" e percorrere strade e altri ambienti.
Il LiDAR può essere utilizzato per ottenere misurazioni accurate della velocità dei venti, e viene utilizzato anche dagli aeroporti per rilevare aerei e detriti di oggetti estranei (FOD).
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Il LiDAR batimetrico utilizza la luce laser verde per penetrare nell'acqua e creare modelli di elevazione digitale di bacini idrici poco profondi, come fiumi e fondali costieri. Questi modelli sono utilizzati per misurare l'erosione, mappare l'habitat della fauna selvatica e valutare il rischio all'interno delle zone di inondazione.
Il LiDAR permette di monitorare in modo rapido e accurato un cantiere edile e di calcolare il volume dei materiali, nonché di effettuare ispezioni di sicurezza e rilevare possibili pericoli.
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La tecnologia LiDAR viene utilizzata per la valutazione delle risorse eoliche, la ricerca di petrolio e gas e la gestione della vegetazione finalizzata alla manutenzione delle linee elettriche.
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Il LiDAR è utilizzato per mappare gli ambienti in realtà virtuale e applicazioni di realtà aumentata.
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Oltre a fornire mappe topografiche dettagliate, il LiDAR può essere utilizzato per misurare le caratteristiche strutturali degli alberi, come ad esempio l'indice di area fogliare e il volume delle chiome degli alberi, ed è uno strumento prezioso nella gestione della vegetazione. Viene anche utilizzato per monitorare e contenere gli incendi.
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Le miniere e le cave sono spazi pericolosi e di difficile accesso. Per questo il LiDAR è sempre più utilizzato per il rilievo, la mappatura e la sicurezza dei lavoratori. Le scansioni LiDAR possono essere utilizzate anche per misurare il volume delle cave.
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La tecnologia LiDAR può essere utilizzata per creare modelli 3D di oggetti da utilizzare nella produzione e per rilevare anomalie e difetti durante il controllo qualità.
Il LiDAR viene utilizzato per creare modelli di elevazione digitale e mappare strade, ponti e altre caratteristiche geografiche e infrastrutturali.
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Il LiDAR può essere utilizzato per scansionare attraverso le chiome delle foreste e monitorare la densità della vegetazione, le specie presenti e la loro salute, per identificare la vegetazione potenzialmente ad alto rischio per i servizi pubblici e altre infrastrutture.
I sensori LiDAR vengono utilizzati per misurare temperatura, copertura delle nuvole, velocità dei venti, densità dell'aria e altri parametri atmosferici, e forniscono dati fondamentali per i modelli di previsione meteo.
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I team di ricerca sviluppano continuamente nuovi sistemi e algoritmi per aumentare l'accuratezza, la velocità e l'efficacia del LiDAR, per rendere questa tecnologia più piccola, più leggera e più accessibile. Ciò consentirà un'adozione più ampia in vari settori e applicazioni, tra cui l'elettronica di consumo, la robotica e i dispositivi smart home. Il LiDAR sta diventando sempre più popolare nei veicoli autonomi, e si prevede che svolgerà un ruolo significativo nel futuro delle automobili.
Poiché la tecnologia continua a migliorare e i costi diminuiscono, è probabile che le applicazioni di LiDAR aumenteranno notevolmente in futuro.
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Note a piè di pagina
1David Edwards, "On the Way to Solving the Big Data Problem in Autonomous Driving," Robotics and Automation, 21 luglio 2022. (link esterno a ibm.com).