¿Qué es LiDAR?
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Dos trabajadores sentados en un escritorio compartido, ambos mirando el monitor de una computadora

LiDAR (del inglés “light detection and ranging”) es una tecnología de teledetección que utiliza rayos láser para medir distancias y movimientos precisos en un entorno, en tiempo real.

Los datos LiDAR se pueden utilizar para generar todo, desde mapas topográficos detallados hasta modelos 3D precisos y dinámicos necesarios para guiar de forma segura un vehículo autónomo a través de un entorno en constante cambio. La tecnología LiDAR también se utiliza para evaluar peligros y desastres naturales, como flujos de lava, derrumbes, tsunamis e inundaciones.

Cómo funciona LiDAR

LiDAR se rige por los mismos principios que el radar (detección y medición de distancia por radio, un sistema de ubicación utilizado en la navegación marítima y aérea) y el sonar (navegación y localización por sonido, un sistema normalmente utilizado en los submarinos). Las tres tecnologías emiten ondas de energía para detectar y ubicar objetos. La diferencia radica en que, mientras el radar utiliza microondas y el sonar, ondas de sonido, LiDAR utiliza luz reflejada, que puede medir la distancia más rápido, con mayor precisión y resolución que el radar o el sonar.

Componentes del sistema LiDAR

Un instrumento LiDAR típico consta de varios componentes:  

  • un escáner láser que emite pulsos rápidos de luz láser casi infrarroja;
  • un sensor LiDAR utilizado para detectar y recoger los pulsos luminosos reflejados;
  • un procesador para calcular el tiempo y la distancia, así como para construir el conjunto de datos resultante, denominado nube de puntos LiDAR. 

Para que la teledetección sea precisa, las mediciones de tiempo y espacio tienen que ser exactas, por lo que un sistema LiDAR también utilizará dispositivos electrónicos de control horario, una unidad de medición inercial (IMU, por sus siglas en inglés) y un GPS.

Medición de LiDAR

El instrumento LiDAR emite pulsos de luz láser en el entorno. Estos pulsos, viajan a la velocidad de la luz, rebotan en los objetos circundantes y regresan al sensor LiDAR. El sensor mide el tiempo que tardó en regresar cada pulso y calcula la distancia que recorrió. Dado que la velocidad de la luz láser es constante, este “tiempo de vuelo” se puede usar para calcular distancias muy precisas.

Al repetir el proceso y enviar pulsos láser a través de un área más grande, las mediciones de tiempo de vuelo se pueden recoger en miles de millones de puntos individuales y procesarse en tiempo real en lo que se conoce como una nube de puntos LiDAR.

Análisis y modelado de datos de LiDAR

Para transformar la nube de puntos LiDAR en un mapa 3D, los datos pasan por varias etapas de procesamiento. En primer lugar, se verifica su precisión e integridad y se limpian para eliminar el ruido anómalo. Luego, las características de la superficie terrestre, como edificios, ríos y doseles forestales se pueden identificar y clasificar mediante algoritmos.

Para que los datos sean más fáciles de analizar, los algoritmos reducen la frecuencia de muestreo (es decir, submuestrean) la nube de puntos para eliminar datos redundantes y reducir el tamaño de su archivo, luego lo convierten a LAS (o LASer), un formato de archivo estándar de la industria utilizado para el intercambio de datos tupla tridimensionales x, y, z.

Finalmente, una vez convertidos al formato LAS, los datos de la nube de puntos se pueden visualizar y modelar en un mapa 3D del terreno escaneado. Para un sistema LiDAR en movimiento como aquellos utilizados en vehículos autónomos, estos cálculos son constantes y continuos. De acuerdo con una fuente, los automóviles autónomos generan y procesan un terabyte de datos por cada hora de operación.1

Tipos de LiDAR

Los sistemas LiDAR se dividen en dos tipos en función de su plataforma: LiDAR aéreo y LiDAR terrestre.

LiDAR aéreo

Los sistemas LiDAR aéreos, también llamados sistemas de escaneo láser aéreos, utilizan escáneres LiDAR montados en aeronaves (generalmente helicópteros o vehículos aéreos no tripulados) para generar modelos 3D de la superficie terrestre.

El mapeo con LiDAR aéreo se ha convertido en una herramienta valiosa para crear modelos digitales de elevación de la superficie de la Tierra, reemplazando en gran medida el método de fotogrametría más antiguo y menos preciso. El escaneo con LiDAR aéreo también se utiliza mucho en silvicultura para elaborar mapas LiDAR del dosel arbóreo y modelos topográficos de la superficie forestal.

Los tipos de tecnología LiDAR aérea incluyen:

LiDAR batimétrico
El LiDAR batimétrico se utiliza para capturar datos del SIG en aguas poco profundas y a lo largo de las costas. En lugar de la luz láser infrarroja que utilizan los sistemas LiDAR típicos, el LiDAR batimétrico emite rayos láser verdes a una longitud de onda capaz de penetrar en el agua para crear un modelo digital de elevación del lecho marino.

LiDAR basado en el espacio
Este tipo de LiDAR es utilizado por la NASA y otras agencias espaciales para ayudar con la navegación de naves espaciales, así como para realizar estudios atmosféricos y de la superficie terrestre y hacer mapas digitales de elevación de la Tierra, la Luna, Marte y Mercurio. LiDAR también se utiliza para pilotar los vehículos autónomos de la NASA y volar el helicóptero Ingenuity en Marte.

LiDAR terrestre

El sistema LiDAR terrestre se utiliza frecuentemente para crear mapas de terrenos y paisajes. Este sistema se puede utilizar para recopilar datos más localizados y de corto alcance, lo que lo hace ideal para mapear áreas más pequeñas con alta precisión.

Entre los tipos de LiDAR terrestres podemos mencionar:

LiDAR estático
Algunos sistemas LiDAR terrestres son estáticos, se encuentran fijos en un solo lugar y se utilizan para realizar escaneos LiDAR precisos y repetidos de una sola área. El LiDAR estático a menudo se utiliza en sitios arqueológicos, proyectos de construcción y para determinados tipos de evaluación de riesgos, como el monitoreo de la superficie terrestre de un volcán activo, una falla donde ocurrió un terremoto o una zona de inundación.

LiDAR móvil
El LiDAR móvil es una forma de LiDAR terrestre que puede recopilar datos LiDAR desde un vehículo en movimiento. Los sistemas LiDAR móviles (MLS, por sus siglas en inglés) han pasado a ser fundamentales para la industria automotriz en el desarrollo de la asistencia al conductor y la conducción autónoma: la recopilación de datos a partir de la detección y la medición de distancia de la luz en tiempo real permite que los automóviles autónomos identifiquen los elementos y la infraestructura de las carreteras de forma rápida, precisa y rentable.

Aplicaciones de LiDAR

Dado que los escaneos LiDAR pueden crear modelos detallados de superficies terrestres y lechos marinos, así como crear visualizaciones precisas y de alta resolución de objetos móviles en tiempo real, tiene una amplia gama de usos en diversas industrias, por ejemplo: 

Agricultura

Los sensores LiDAR se utilizan para medir el entorno y la topografía agrícola, para estimar la biomasa de los cultivos y para detectar las propiedades del suelo mediante el mapeo de variaciones en profundidad, pendiente, humedad y aspecto. LiDAR también se utiliza para pilotar vehículos agrícolas autónomos.

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Aeroespacial y defensa

LiDAR se utiliza para realizar mapeo de terrenos, seguimiento de objetivos, búsqueda de minas y creación de imágenes a través de nubes, así como la planificación de misiones utilizando visualizaciones sofisticadas de campos de batalla incluso en entornos urbanos densos.

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Automotriz

Los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS, por sus siglas en inglés) y los vehículos autónomos, como los autos automáticos, aprovechan los datos del mapa 3D de LiDAR para “ver” y navegar por carreteras y otros entornos.

 

Aviación

El LiDAR puede utilizarse para medir con precisión la velocidad del viento, y también se utiliza en los aeropuertos para rastrear aeronaves y restos de objetos extraños (FOD, por sus siglas en inglés).

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Batimetría

El LiDAR batimétrico utiliza luz láser verde para penetrar el agua y crear modelos digitales de elevación de embalses de aguas poco profundas, ríos y lechos marinos costeros. Estos pueden utilizarse para medir la erosión, mapear el hábitat de la vida silvestre y evaluar el riesgo dentro de las zonas de inundación.

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Construcción

El LiDAR puede inspeccionar con rapidez y precisión una obra, calcular el volumen de los materiales y utilizarse para realizar inspecciones de seguridad y detectar posibles peligros.

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Energía

La tecnología LiDAR se utiliza para la evaluación de recursos eólicos, la exploración en el sector del petróleo y gas y la gestión de la vegetación para el mantenimiento de las líneas eléctricas.

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Entretenimiento

LiDAR se utiliza para crear mapas de entornos en aplicaciones de realidad virtual y realidad aumentada.

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Silvicultura

Además de proporcionar mapas topográficos detallados, LiDAR se puede utilizar para medir las características estructurales de los árboles, como el índice de área foliar y el volumen del dosel forestal, y es una herramienta valiosa en la gestión de la vegetación. También se utiliza para monitorear y contener incendios forestales.

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Geología y minería

Es difícil acceder a minas y canteras, y LiDAR se utiliza cada vez más para hacer levantamientos topográficos, mapeo y seguridad de los trabajadores. Los escaneos LiDAR también se pueden usar para mediciones de volumen en canteras.

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Fabricación

La tecnología LiDAR se puede utilizar para crear modelos 3D de objetos para su uso en la industria manufacturera, así como para su control de calidad, detectando anomalías y defectos.

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Creación de mapas

LiDAR se utiliza para crear modelos digitales de elevación y crear mapas de carreteras, puentes y otras características geográficas y de infraestructura.

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Gestión de la vegetación

El LiDAR se puede utilizar para escanear a través del dosel arbóreo y monitorear la densidad, especies y salud de la vegetación con el fin de identificar la flora que podría ser de alto riesgo para las instalaciones de servicios públicos y otra infraestructura.

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Pronóstico meteorológico

Los sensores LiDAR se utilizan para medir la temperatura, la nubosidad, la velocidad del viento, la densidad del aire y otros parámetros atmosféricos, y proporcionan datos vitales para los modelos de pronóstico del tiempo.

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El futuro de LiDAR

Los equipos de investigación desarrollan continuamente nuevos sistemas y algoritmos para aumentar la precisión, velocidad y eficacia de LiDAR, y existe un desarrollo continuo centrado en hacer que la tecnología LiDAR sea más pequeña, ligera y asequible. Esto permitiría una adopción más amplia en diversas industrias y aplicaciones, como la electrónica de consumo, la robótica y los dispositivos domésticos inteligentes. El sistema LiDAR es cada vez más popular en los vehículos autónomos, y se espera que desempeñe un papel importante en el futuro del sector automotriz.

A medida que la tecnología continúa mejorando y los costos, disminuyendo, es probable que las aplicaciones de LiDAR aumenten drásticamente.

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Notas de pie de página

1David Edwards, “On the Way to Solving the Big Data Problem in Autonomous Driving”. Robótica y automatización. 21 de julio de 2022. (enlace externo a ibm.com).