LiDAR para niños
Un lídar o lidar (que viene del inglés Light Detection and Ranging) es un aparato que mide distancias usando un rayo láser. Funciona enviando pulsos de luz láser y calculando cuánto tiempo tarda esa luz en ir y volver después de rebotar en un objeto o superficie. Este tiempo de viaje permite saber la distancia exacta. La tecnología lídar se usa en campos como la geología, el estudio de los terremotos (sismología) y la física de la atmósfera. También se está investigando para usarla en vehículos, especialmente en los que se manejan solos.
¿Cómo funciona el Lídar?
El lídar es un sistema que crea un mapa detallado del terreno, llamado "nube de puntos". Para esto, usa un escáner láser aerotransportado (ALS) que va en un avión o helicóptero. El escáner combina dos movimientos: el del avión hacia adelante y un espejo que mueve el rayo láser de lado a lado.
Para saber dónde está cada punto, el sistema necesita conocer la posición del sensor y el ángulo del espejo en todo momento. Para esto, se apoya en un sistema GPS diferencial y un sistema de navegación inercial (INS). Con estos datos y la distancia que mide el láser al terreno, se obtienen las coordenadas de cada punto. ¡Puede registrar decenas de miles de puntos por segundo!
Componentes principales del Lídar
Los aparatos que forman un sistema lídar son:
- Escáner láser aerotransportado (ALS): Emite pulsos de luz infrarroja para medir la distancia entre el sensor y el terreno.
- GPS diferencial: Usa un receptor en el avión y otros en tierra (en lugares con coordenadas conocidas) para saber la posición y altura exactas del avión.
- Sistema de navegación inercial (INS): Informa sobre los giros y el camino que sigue el avión.
- Cámara de video digital (opcional): Permite tomar fotos de la zona de estudio, lo que ayuda a entender mejor los resultados. A veces se monta junto al escáner láser.
- Medio aéreo: Puede ser un avión o un helicóptero. Los aviones son mejores para cubrir grandes áreas rápidamente, mientras que los helicópteros, al volar más lento y bajo, permiten obtener más puntos por metro cuadrado.
Las mediciones de estos componentes se registran con la misma hora, lo que facilita combinarlas después.
Información adicional que obtiene el Lídar
El sistema lídar también puede captar más de un "eco" por cada pulso de luz que envía. Esto significa que puede recoger información de diferentes alturas. Por ejemplo, si vuela sobre un bosque, el primer eco podría ser de la parte alta de los árboles y el último, del suelo. También mide la intensidad de la luz que regresa, lo cual es útil para clasificar los objetos después.
Tipos de Lídar
Los sistemas lídar se pueden clasificar según cómo emiten el láser o cómo escanean el terreno.
Según el tipo de láser
- Lídar de pulsos: Mide la distancia calculando el tiempo que tarda un pulso de luz en ir y volver. El emisor envía pulsos de luz.
- Lídar de medición de fase: En este caso, el emisor envía un rayo láser continuo. Cuando recibe la señal de vuelta, mide la diferencia en la "fase" de la onda de luz. Conociendo esta diferencia, se puede calcular la distancia.
Según el tipo de escaneado
- Líneas: Usa un espejo que gira en una dirección para desviar el rayo láser, creando líneas paralelas en el terreno. A veces, no siempre está midiendo.
- Zigzag: El espejo gira en dos direcciones (ida y vuelta), creando un patrón de zigzag. Siempre está midiendo, pero la densidad de puntos puede variar un poco en los bordes.
- De fibra óptica: Usa pequeños espejos para desviar el láser desde una fibra central a otras fibras. Crea un patrón de círculos superpuestos. Es muy rápido, pero cubre un ángulo más pequeño.
- Elíptico (Palmer): Dos espejos desvían el láser para crear un patrón elíptico. Puede escanear el terreno desde diferentes ángulos, pero es más complejo al tener dos medidores de ángulo.
Usos del Lídar
El lídar tiene muchas aplicaciones importantes en diferentes campos.
Creación de mapas y topografía
En la topografía, que es la ciencia de medir y dibujar el terreno, el lídar ha cambiado la forma de obtener datos digitales de la altura del suelo. Es una alternativa a otras formas de crear Modelo Digital del Terreno (MDT) y se usa para hacer mapas de contorno y curvas de nivel.
Un sistema lídar envía pulsos de luz que rebotan en el terreno y en objetos altos. Los fotones de estos pulsos se convierten en señales eléctricas que un registrador de datos de alta velocidad interpreta. Como la velocidad de la luz es conocida, se calcula fácilmente el tiempo que tarda la luz en ir y volver. Este tiempo se convierte en distancia usando la información de posición de los receptores GPS del avión y de la unidad de medición inercial (IMU) a bordo.
Los sistemas lídar registran la posición (x, y) y la altura (z) de miles de puntos, creando una red muy densa. Los sistemas más avanzados pueden registrar no solo el primer rebote de la luz, sino también los siguientes. Esto es útil para saber la altura del terreno y también la de la vegetación, lo que ayuda a analizar diferentes tipos de plantas o a separar la altura del suelo de la de los árboles.
Una gran ventaja del lídar es que puede obtener datos incluso cuando la fotografía aérea normal no puede, como de noche o con niebla o nubes.
Los mapas y modelos de elevación que se obtienen con lídar necesitan un procesamiento especial. Como el lídar registra objetos elevados (como edificios), se usan programas avanzados para quitar los puntos de estos objetos y dejar solo el terreno. Los mapas de contorno hechos con lídar son muy precisos, pero pueden verse un poco más "quebrados" debido a la gran cantidad de puntos.
El procesamiento de los datos lídar puede ayudar a:
- Saber la altura del suelo.
- Identificar edificios.
- Identificar árboles y bosques.
- Limpiar el terreno de datos no deseados.
- Crear objetos tridimensionales.
- Ajustar la forma de los edificios.
- Editar los datos.
- Recortar imágenes.
La precisión de los datos lídar depende de la frecuencia de los pulsos, la altura de vuelo, el diámetro del rayo láser y la calidad de los datos GPS/IMU. En condiciones ideales, se pueden lograr precisiones de 1 metro en posición y 15 cm en altura.
Formatos de archivo para Lídar
La mayoría de los sistemas lídar usan un formato de archivo llamado formato LAS. Este formato es un estándar para intercambiar archivos con información de nubes de puntos tridimensionales. Es un archivo binario que guarda toda la información del sistema lídar de forma organizada.
Medición de velocidades
El lídar es la tecnología que usan las pistolas láser de la policía para medir la velocidad de los vehículos. A diferencia del radar, que usa ondas de radio, el lídar usa un rayo de luz láser pulsante en la banda infrarroja.
Las ventajas del lídar sobre el radar son:
- Más rápido: Puede obtener la velocidad de un vehículo en solo 0.3 segundos.
- Más preciso: El rayo láser es muy estrecho, lo que permite apuntar a un vehículo específico incluso en tráfico denso. A 500 metros, el rayo tiene solo unos 2.5 metros de ancho.
- Difícil de detectar: Debido a su rapidez y precisión, los detectores de láser en los vehículos suelen alertar demasiado tarde.
- Fácil de usar y económico: Es más sencillo de manejar, transportar y mantener, y más barato que un radar.
- Funciona en diversas condiciones: Puede usarse de noche, con lluvia, desde puentes, en vehículos parados, de forma automática o manual.
- Limitación: El lídar debe estar quieto mientras mide, a diferencia del radar que puede usarse en movimiento.
Óptica adaptativa en astronomía
La óptica adaptativa es una técnica que corrige las distorsiones que sufre la luz de las estrellas al pasar por la atmósfera terrestre. Esto permite a los telescopios obtener imágenes mucho más claras y nítidas, como si se observara desde el espacio.
La atmósfera hace que las imágenes astronómicas se vean borrosas, lo que dificulta ver detalles de los objetos o detectar objetos poco brillantes. La óptica adaptativa ayuda a eliminar estas distorsiones.
En un sistema de óptica adaptativa, la luz de la estrella, que ha sido distorsionada por la atmósfera, es analizada por un sensor. Este sensor detecta las distorsiones y envía la información a un "reconstructor de fase". Este último calcula cómo debe deformarse un espejo especial para corregir las distorsiones.
A veces, no hay estrellas lo suficientemente brillantes cerca del objeto que se quiere observar para usar como referencia. La solución es crear una "estrella artificial" usando un potente rayo láser que excita una capa de sodio en la parte alta de la atmósfera. Esta técnica aún está en desarrollo.
Gestión de bosques
En la lucha contra incendios, es muy importante saber qué tipo de vegetación hay en cada lugar para predecir cómo se comportará el fuego.
El lídar puede crear mapas precisos de los tipos de vegetación usando la información de altura que capta. También se puede combinar con otras fuentes de datos, como imágenes multiespectrales, para mejorar la precisión.
Gracias a los datos de altura y la distribución vertical de la vegetación que el lídar proporciona, es posible determinar la cantidad y el tipo de biomasa (materia orgánica) presente en un área.
Geología y estudio del suelo
La tecnología lídar ha sido un gran avance para estudiar la Tierra. Los modelos digitales de elevación de alta resolución que se obtienen con lídar son muy útiles en varios campos de la geología.
Permite obtener modelos detallados de estructuras topográficas como ríos y terrazas. Esto ha facilitado el estudio de cómo los procesos físicos y químicos afectan la superficie terrestre, como la erosión y la formación del relieve.
El lídar es una herramienta fundamental para detectar fallas geológicas, seguirlas y estudiarlas. Con modelos 3D, se puede ver el antes y el después de un movimiento de placas, lo que ayuda a entender cómo ocurren estos fenómenos naturales.
Otras aplicaciones geológicas incluyen el seguimiento de glaciares (para ver su retroceso y su relación con el ciclo del agua), el análisis de cambios en las costas, el movimiento de placas tectónicas, las erupciones volcánicas y los deslizamientos de tierra.
Mecánica de rocas
El lídar se usa mucho en la mecánica de rocas para estudiar las características de las masas rocosas y detectar cambios en los taludes (laderas). Algunas propiedades de las rocas que se pueden obtener con los datos lídar 3D son:
- La orientación de las fracturas en las rocas.
- La distancia entre las fracturas.
- La apertura de las fracturas.
- La extensión de las fracturas.
- La rugosidad de las fracturas.
- La presencia de filtraciones de agua.
Estas propiedades se usan para clasificar la calidad de las rocas, por ejemplo, con el sistema RMR o el SMR para taludes. Además, al comparar diferentes mapas 3D de un talud tomados en distintos momentos, los científicos pueden estudiar los cambios causados por caídas de rocas u otros movimientos.
Otros usos del Lídar
En la física atmosférica, los instrumentos lídar pueden medir la cantidad de ciertos elementos en la atmósfera, como aerosoles, nubes, potasio, sodio, oxígeno y nitrógeno. Con la tecnología más avanzada, también pueden calcular perfiles de temperatura o medir la dirección y velocidad de los vientos.
A medida que las empresas de automóviles y tecnología desarrollan vehículos que se manejan solos, el lídar se ha vuelto una tecnología muy importante. Aunque estos sensores pueden ser caros, se están desarrollando lídar más pequeños, incluso del tamaño de un grano de arroz. Estos nuevos lídar no buscan reemplazar a los actuales, sino complementarlos: los lídar grandes ofrecen precisión a larga distancia, mientras que los pequeños son para detectar detalles a corta distancia. Estudios recientes muestran que usar lídar junto con la inteligencia artificial ayuda a resolver los desafíos de la conducción autónoma.
Véase también
En inglés: Lidar Facts for Kids
