Una de las nuevas tecnologías más apasionantes del mundo de los drones es el LiDAR, en el que se utiliza la luz para proporcionar a los usuarios datos geoespaciales precisos en una amplia variedad de nuevos entornos. En este artículo, nos adentramos en el funcionamiento del LiDAR, exploramos sus ventajas frente a la fotogrametría y analizamos las características y ventajas del LiDAR Atmos en particular.

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Fundamentos LiDAR

Diferencia con la fotogrametría RGB tradicional

La fotogrametría utiliza cámaras fotográficas comerciales para captar miles de imágenes de una zona. Estas cámaras funcionan según el siguiente principio: el sol ilumina un objeto, que absorbe o transmite parcialmente la luz y refleja el resto. La luz reflejada es captada por el sensor de la cámara. Este sensor puede ver el color y el brillo, pero no puede percibir la profundidad.

Como la cámara no puede percibir la profundidad, para obtener las coordenadas 3D es necesario reconstruir cientos, si no miles, de fotos superpuestas. En un modelo de alta calidad, cada característica suele estar incluida en unas 8 imágenes superpuestas.

Una vez obtenidas estas imágenes, se utiliza la fotogrametría en paquetes de software como Pix4D o Metashape, etc. En este caso, se utiliza el ajuste de paquetes para obtener la orientación exacta de las imágenes en seis grados de libertad. A continuación, se comparan las imágenes para detectar y emparejar características entre ellas y se conjetura su posición mediante triangulación. Es importante señalar que se trata de un cálculo estadístico de posiciones y no de una medición directa.

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Cómo funciona el LiDAR

Un sensor LiDAR funciona de forma un poco diferente, ya que utiliza la detección activa para medir directamente la distancia a los objetos mediante impulsos láser, en lugar del método estadístico utilizado por la fotogrametría.

El propio LiDAR actúa como fuente de luz (en lugar del sol), que se refleja en el objeto en cuestión y es recibida por el sensor LiDAR. El haz láser del LiDAR también es ligeramente divergente. Esto permite que el haz "brille a través" de objetos como las ramas de los árboles. El detector puede detectar múltiples retornos, lo que permite estudiar varias superficies.

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El sensor LiDAR mide el alcance del pulso láser y el ángulo de exploración del cabezal giratorio se conoce con precisión. Dado que un dron LiDAR vuela por el aire a gran velocidad, las principales especificaciones cualitativas giran en torno a la precisión con la que se conocen la posición y la orientación del LiDAR.

La parte del LiDAR que mide la posición y la orientación se conoce como INS. El INS consta de una IMU, que mide la orientación, y un GNSS, que mide la posición con un alto grado de precisión. Esta información puede utilizarse para determinar directamente la ubicación 3D de un punto en la tierra.

El producto de salida del LiDAR es una nube de puntos, cuyo uso más común es ver la elevación, pero también se mide la intensidad del pulso recibido. La visualización de la nube de puntos con la intensidad en una escala de pseudocolores/falsos colores ayuda a distinguir diferentes objetos sobre el terreno que tienen la misma elevación.

Estos resultados pueden visualizarse en Pix4D, o en otros productos como Displaz, ArcGIS o Fugro, y utilizarse para vectorización, desarrollo de MDT/DSM, estimación de biomasa, volúmenes, perfiles, seguimiento del progreso, ¡y mucho más!

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Ventajas sobre la fotogrametría

La fotogrametría tiene muchos puntos fuertes, sobre todo en coste, coloración y precisión. Sin embargo, ¿puede el LiDAR proporcionar una enorme ventaja sobre la fotogrametría cuando se trata de;

^{1. Estructuras delgadas}
La fotogrametría tiene dificultades con las líneas eléctricas y la compleja maquinaria desitio , ya que carece de suficientes puntos de referencia. El método de detección activa de LiDAR no tiene problemas con ellos.

^{2. Puntos con mucho follaje}
‍Las granjasy los bosques con árboles frondosos no interfieren con LiDAR. Capta datos tanto de la copa como del terreno que hay debajo, a diferencia de la fotogrametría, que sólo capta un MDS de la copa del bosque.

^{3. Superficies uniformes}
‍Ensuperficies lisas como carreteras o playas, la fotogrametría se queda corta debido a la falta de puntos únicos. LiDAR, con sus mediciones activas, no tiene problemas con esto.

^{4. Condiciones de luz únicas}
Los levantamientos ‍LiDARno requieren condiciones de luz externa para generar datos, por lo que es posible realizar levantamientos en condiciones de poca luz o incluso de noche.

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Atmos Características y ventajas del LiDAR 

Como ya se ha mencionado, dado que un dron LiDAR vuela por el aire, la precisión del modelo final depende en gran medida de la exactitud con la que se conozca la posición u orientación del LiDAR, junto con el FOV, la precisión del alcance, etc. Por lo tanto, la pregunta principal que cada cliente debe hacerse es, ¿cómo de preciso es el INS del LiDAR?

En Atmos LiDAR

AtmosLiDAR' cuenta con un escáner LiDAR Hesai combinado con Inertial Labs / Novatel INS. Incluye dos antenas GNSS para el posicionamiento y la estimación del rumbo.

This combination of a high-end INS and a double heading antenna is really important. A high end INS results in highly impressive accuracy figures, namely a +/- 1cm [0.4in] ranging accuracy, 0.5cm [0.2in] precision, a pitch/roll accuracy of <0.01°, and max altitude of 150m [492ft] AGL. Double heading antennae result in a yaw accuracy of 0.05°, and contribute to the above positional accuracy as well.  

Atmos Ventajas del LiDAR

¿Qué significa esto para los usuarios? 

En primer lugar, los datos tienen un nivel de ruido excepcionalmente bajo, lo que significa que las pequeñas características, como las líneas de alta tensión, son fácilmente detectables sin necesidad de un filtrado extremo ni de alterar los datos de origen. 

En segundo lugar, esto significa que no es necesaria la alineación de franjas, que a menudo causa imprecisiones y añade al menos 1 hora al flujo de trabajo cada vez que el usuario realiza un vuelo. Esto también beneficia al usuario, ya que da como resultado una mayor precisión de la nube de puntos y un menor solapamiento necesario, lo que significa que los usuarios pueden cubrir más superficie por vuelo.

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Un factor importante a la hora de elegir un sistema LiDAR es también el equilibrio entre la densidad de puntos y la cobertura del área. Un equilibrio eficaz entre la densidad de puntos y la cobertura del área determinará el retorno de la inversión del sistema en su conjunto. El LiDAR de Atmos es capaz de alcanzar 52 ^pts/m2 [4,^9pts/ft2] en 480Ha [1190 Acres].

Conclusión:

Las ventajas de LiDAR sobre la fotogrametría, especialmente en el manejo de entornos complejos y con vegetación, junto con las impresionantes cifras de precisión, presentan un argumento convincente para su adopción. Esta tecnología no sólo supera las limitaciones de los métodos tradicionales, sino que abre nuevas posibilidades de aplicación en los sectores forestal, minero y de la construcción, entre otros. Dentro de este mundo, el LiDAR Atmos , con sus notables cifras de precisión y su eficaz flujo de trabajo, emerge como una poderosa herramienta para los profesionales que buscan nubes de puntos detalladas y sin ruido.

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Preguntas frecuentes

_{¿Qué son las devoluciones?}

Un rayo láser no es un elemento singular, sino que contiene trozos de luz, algunos de los cuales se reflejan en el suelo y otros en otros objetos intermedios como la hierba, las hojas y las ramas de los árboles. Cuando el sensor LiDAR detecta que algunos trozos de luz se han reflejado, se registra como un retorno. Si sólo se tiene un retorno, sólo se obtiene el primer reflejo que ha salido de cada rayo láser, lo que significa que sólo se reciben datos sobre el objeto más cercano al dron, de forma muy parecida a la fotogrametría. Por lo tanto, la captura de más de un retorno permite obtener más información sobre los objetos que se encuentran bajo la superficie, como el suelo que se encuentra bajo el dosel de un bosque. El LiDAR de Atmos tiene capacidad para 3 retornos, hay otros que ofrecen hasta⁵ retornos, pero estos retornos adicionales^no suelen ofrecer mucha información y, en cambio, contribuyen a aumentar el ruido que debe filtrarse en el posprocesamiento, lo que añade más requisitos al flujo de trabajo.

_{¿Está Atmos' LiDAR coloreado?}  

Cada punto de la nube de puntos LiDAR consta de una posición en x, y, y z, y un nivel de intensidad. A algunos usuarios les gusta asignar también un color a cada punto de la nube de puntos, ya que así se pueden distinguir ciertos elementos que no se distinguen por su trazado de intensidad. Aunque el Marlyn no lleva una cámara integrada en el sensor LiDAR, es posible con el Marlyn capturar primero los datos de fotogrametría, luego cambiar la carga útil por el LiDAR y capturar el LiDAR. A continuación se utilizaría Cloud Compare o ArcGIS para colorearlo. También es posible colorear la nube de puntos utilizando datos de satélite disponibles en el mercado.  

_{¿Es obligatorio utilizar BPC?}

En efecto, es posible informar sus datos mediante puntos de control utilizando dos métodos posibles: intensidad o elevación. Para la intensidad, se pueden utilizar características naturales con un alto contraste de intensidad (¡905 nm de longitud de onda!). Para la elevación, se pueden utilizar objetos con bordes afilados y cierta elevación (>10cm), para ello existen puntos de control disponibles comercialmente.

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