Este documento describe los principios fundamentales y aplicaciones de la tecnología LIDAR. El LIDAR usa pulsos láser para medir distancias mediante el tiempo de vuelo. Consta de componentes como GPS, IMU, sensor láser y receptor. Existen varios mecanismos de barrido como espejos oscilantes o de rotación. Tiene aplicaciones en geomática, arqueología, geografía y más. También se usa para medir aerosoles atmosféricos y en sistemas terrestres y móviles.

1. UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA, METALÚRGICAY
GEOGRÁFICA
E. A. P. DE INGENIERÍA GEOGRÁFICA
ASIGNATURA: TELEMETRÍA
RCM
LIMA-PERÚ
2010
TECNOLOGÍA LIDAR:
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Y
APLICACIONES

2. LIDAR (Light Detecting And Ranging)
LIDAR (Light Detection And Ranging) es
una tecnología óptica de teledetección que
puede medir la distancia a objetos lejanos
mediante las propiedades del espectro
electromagnético usando pulsos de un
láser.
La Tecnología LIDAR tiene aplicaciones
en Geomática, Arqueología, Geografía,
Geología, Geomorfología, la Sismología,
la Silvicultura, la Teledetección y física de
la atmósfera, así como en la Cartografía.

3. COMPONENTES DEL SISTEMA
LIDAR
Compuesto por Sistemas de Posicionamiento
Global (GPS) a bordo que es necesario para
determinar las coordenadas x, y, z del sensor
LIDAR en el aire y en movimiento, y una o más
estaciones base GPS en tierra.
La unidad de medición inercial (IMU) mide el
rumbo de la aeronave, y establece la orientación
angular.
El sensor LIDAR mide el ángulo de lectura de
pulsos láser. Combinado con los datos de IMU, se
establece la orientación angular de cada pulso del
láser.
El sensor LIDAR mide el tiempo necesario para
cada pulso emitido a reflejarse en el suelo (o
características al respecto) y volver al sensor.

4. COMPONENTES DEL
SISTEMA LIDAR
GPS
IMU
Position and
Orientation
Ranging Subsystem
Laser
Trans.
Laser
Receiver
Scanning / Pointing
System
System Controller
Data Storage
Ground / Target

5. COMPONENTES DEL SISTEMA
LIDAR

6. ALGUNAS DEFINICIONES
Frecuencia de repetición de impulsos (PRF)
o la frecuencia del pulso: el número de
impulsos enviados por segundo.
Eco de retorno (también llamado pulsos de
retorno): número de pulsos recibidos. Son
reflexiones registrado para un pulso enviado.
Velocidad de lectura: número de modelos de
análisis (por ejemplo, líneas de exploración)
por segundo.
Campo de visión (FOV) o el ángulo de
lectura: a través de los vuelos es el ángulo de
rayo láser que puede cubrir el barrido.
Divergencia del rayo: el ángulo que muestra
la desviación del rayo láser del paralelismo.

7. ALGUNAS DEFINICIONES
Mínima y máxima altura de vuelo: máximo depende
principalmente de potencia de transmisión y mínimo por
regulaciones nacionales/locales.
Ancho de trabajo máximo: depende de la altura de vuelo y FOV.
Huella Láser (superficie iluminada por rayo láser): depende de
divergencia de los haces y altura de vuelo . En caso ideal un
círculo, en realidad una elipse o incluso un patrón más
irregular.
Ancho de la densidad de puntos de trayecto: dependen de
muchos parámetros, como el patrón de lectura, PRF, velocidad
de barrido, altura de vuelo, la velocidad del avión, FOV, etc

8. OTROS PARÁMETROS
IMPORTANTES
Longitud de onda: importante para la
medición de ciertos objetos (el objeto debe
reflejar también la longitud de onda).
Número de pulsos para los cuales se registra
la intensidad.
Frecuencia y exactitud (especificaciones de la
medida del GPS/INS de la exactitud para el
INS).
Uso de los sensores adicionales de la
proyección de imagen (cámaras digitales,
vídeo, etc.)
Peso, dimensiones, consumo de energía,
condiciones operacionales ambientales (T, H
etc.).
Rango de resolución y precisión.
Software (planeamiento del vuelo, post-
processing etc.)

9. LONGITUD DE ONDA

10. MECANISMOS DE ESCANEO Y PATRONES
DE LECTURA DEL SUELO

11. ESCANEO CON ESPEJO
OSCILANTE
El espejo no gira completamente en
torno al eje, sino que oscila de ida y
vuelta por la aceleración y
desaceleración.
Los espejos oscilantes crean un patrón
de lectura sinusoidal en el suelo, como
se muestra en la figura.
El espaciamiento transversal de las
medidas es una función del PRF del
laser, del intervalo de grabación del
escáner y de la altura del avión.

12. ESCANEO CON ESPEJO
OSCILANTE
Produce líneas en zigzag como patrón de escaneado. Tiene la ventaja de
que siempre esta midiendo pero al tener que cambiar de sentido de giro
la aceleración del espejo varia según su posición. Esto hace que en las
zonas cercanas al limite de escaneado lateral (donde varia el sentido de
rotación del espejo), la densidad de puntos escaneados sea mayor que en
el nadir.

13. SISTEMA DE ESCANEO CON
POLÍGONO DE ROTACIÓN
Un mecanismo de barrido alternativo es un
polígono de rotación. En este sistema, un
polígono espejo multifacético de prisma
gira continuamente alrededor de un eje de
rotación. Las caras del polígono junto con
su rotación, dirigen la energía hacia el
suelo. Al igual que el sistema oscilante, esto
generalmente se utiliza para barrer
perpendicular a la trayectoria del vuelo.
Como la transferencia de la energía láser de
las caras del polígono a otra, hay un salto
discontinuo y repentino en el lado opuesto
de la exploración que resulta en un patrón
de lectura que consiste en una serie de
líneas de exploración casi paralelo.

14. SISTEMA DE ESCANEO CON
POLÍGONO DE ROTACIÓN
Como en los escáner de espejos
oscilantes, el espaciamiento de
las mediciones transversales es
en función del PRF del escáner
laser, del intervalo de grabación
del escaneo y de la altura del
avión. El espaciamiento
longitudinal de la medidas es en
función de la velocidad del avión
y de los intervalos de grabación
del escáner. Un espejo que rota
permite la creación de medidas
espaciadas muy regulares,
debido a la velocidad constante
de rotación del espejo de
múltiples caras.
Escaneado con espejo de Rotación

15. ESPEJO DE NUTACIÓN (PALMER)
Otro mecanismo de escaneo utiliza
un espejo oscilante que se inclina en
referencia a la luz desde el emisor de
láser. La rotación de este espejo crea
un patrón de lectura elíptica en el
suelo y el movimiento hacia adelante
del sensor crea una cobertura en la
dirección a lo largo de la trayectoria.
(Una variante de este mecanismo de
barrido emplea giran en sentido
contrario prismas de Risley.)

16. ESPEJO DE NUTACIÓN (PALMER)
Una desventaja es que las mediciones son relativamente no uniformes,
teniendo una concentración grande de los puntos en el borde de la faja
de escaneo, acrecentándose esto por el hecho de que las misiones de
escaneo consisten generalmente en muchas fajas de escaneo con
traslapes entre ellas.

17. SISTEMA DE ESCANEO CON
PUNTAS DE FIBRA
En este sistema, la luz láser se
dirige a la tierra por un haz de
fibras de vidrio y la dirección de
exploración de un pulso dado
depende de que canal de fibra
óptica que emite. Un sistema
similar de haces de fibras se
utilizan en la óptica del receptor.

18. EJEMPLO DEL ESPEJO DE
POLÍGONO

19. HAZ DE DIVERGENCIA

20. REFLECTIVIDAD

21. PRINCIPIO DE MEDICIÓN DEL
PULSO DE LÁSER

22. PRINCIPIO DE MEDICIÓN DEL
PULSO DE LÁSER

23. PULSO MULTIRETORNO

24. HUELLA LASER
En teoría, el último retorno representa el terreno la tierra desnuda, pero esto a veces no es
el caso. Cuando la vegetación es tan espesa que ninguna parte del pulso del láser penetra
en el suelo. Este suele ser el caso de juncos, los manglares y los bosques densos, donde
una persona en el suelo no puede ver el cielo a través del dosel.

25. RIELG LMS- Q680i

26. RIELG LMS- Q680i

27. SHOALS (Scanning Hydrographic
Operational Airborne Lidar Survey)
Airborne LiDAR Hidrografía (ALH) ha
estado en desarrollo desde mediados de
1960. Actualmente hay media docena de
sistemas de ALH en funcionamiento, y
una de las más avanzadas y fiables es la
exploración levantamientos hidrográficos
operativos LIDAR aerotransportado.
Ha sido descrito como uno de los
sistemas LiDAR más versátil
hidrográficas en uso en el mundo de hoy.

28. PRINCIPIO FUNDAMENTAL DE
SHOALS
Pulsos de láser
verde (532 nm)
se refleja desde
el fondo
Infrarrojo cercano
(1064 nm) pulsos
de láser reflejada
por la superficie
del agua
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image

29. Land Shoal water
Deep
water
Método
tradicional
batimétrico se
muestra en
desventaja
frente al sistema
SHOALS que
levanta fondos
donde los
barcos no llegan
por aguas poco
profundas.
Línea costera de agua poca profunda
VENTAJAS DE SHOALS FRENTE A LA
BATIMETRÍA TRADICIONAL
En simultáneo
levanta la zona
costera de
tierra y
superficie bajo
el agua.

30. HIDROGRÁFICA LIDAR VS
TOPOGRÁFICOS LIDAR
La principal diferencia es que el sistema
utiliza dos variables SHOALS rayos láser,
mientras que la mayoría de los sistemas
topográficos emplean un solo rayo.
Además, las longitudes de onda del láser
en cada uno son diferentes. La mayoría de
LiDAR topográfico utiliza cerca de rayos
infrarrojos que se reflejan en la mayoría
de los objetos. El sistema SHOALS utiliza
una longitud de onda en infrarrojos que es
reflejada por la superficie del agua y
detectada por el receptor, así como un haz
de longitud de onda azul-verde que
penetra en la superficie del agua y se
refleja desde el fondo.

31. RIEGL VQ-820-G
Levantamiento repetitivo de las aguas costeras
es cada vez más esencial para evaluar la
sedimentación en los embalses, la degradación
del río, el flujo de agua y la dinámica del nivel
de agua, la estructura y las variaciones de la
zona de los ríos y las zonas ribereñas. Esto sólo
se puede lograr de manera efectiva mediante el
empleo de alta resolución de escaneo láser
aerotransportado para zonas hidrográficas.
Las aplicaciones típicas incluyen
• Cartografía Litoral.
• Perfiles del fondo de ríos.
• La adquisición de la Base de Datos para la
prevención de Inundaciones.
• Medición de las Zonas agradacionales.

32. RIEGL VQ-820-G

33. THE GEOSCIENCE LASER ALTIMETER
SYSTEM (GLAS)
EL rango que opera es de 1064 nm para mediciones del satélite a la superficie de la
Tierra. Althoug láser funciona de uno en uno, tres láseres están a bordo del satélite para el
caso que fracase se reemplaza con el otro. Se encuentra a una altitud de 600 kilómetros,
con una divergencia del haz de 11 a 12-mrad, GLAS ilumina un punto en la superficie de
la Tierra de aproximadamente 66 m de diámetro.
En adición a las medidas de alcance, GLAS utiliza el 1064-nm y doble frecuencia de 532
nm de pulsos (del mismo láser) para las mediciones atmosféricas de retrodispersión.

34. The Geoscience Laser
Altimeter System (GLAS)

35. LIDAR Y LOS AEROSOLES
ATMOSFÉRICOS
El principio de operación de los sistemas LIDAR
se basa en el envío de radiación láser pulsada a la
atmósfera y en el análisis de una fracción de la
radiación retrodifundida por las partículas
atmosféricas existentes a lo largo del camino
óptico recorrido por los pulsos láser. Esta pequeña
cantidad de luz que retorna hacia el punto desde el
que se disparó el láser es recogida por un
telescopio y adecuadamente detectada.

36. LIDAR Y LOS AEROSOLES
ATMOSFÉRICOS
Distribución espacial de las partículas en el cielo.

37. El lidar atmosférico ATLAS(Agile Tuner
Lidar for Atmospheric Sensing)
Permite medir la concentración de vapor de agua , la velocidad del
viento, cantidad de CO2 y otros gases que emiten los volcanes.

38. LIDAR TERRESTRE
Escáner láser terrestre se lleva a cabo a
partir de un trípode en tierra y se utiliza
para generar un modelo muy preciso de
la tierra en alta resolución. También
puede ser usado para los objetos por
encima del suelo, tales como casas,
torres de líneas de transmisión y la
maquinaria.
Todas las mediciones se realizan de
forma remota, a una distancia de 300 m,
lo que permite la colocación de equipos
y personal en áreas no peligrosas. Esto
mitiga el riesgo al personal y evita la
necesidad de apagar las máquinas o
estructuras de energía, mientras que la
encuesta se lleva a cabo.

39. LIDAR TERRESTRE
Laser Scanner LMS-Z620

40. LIDAR TERRESTRE MÓVIL
LIDAR Terrestre Riegl LMS-
Z210. Instalación del LIDAR
Terrestre en el GEOMÒBIL.
Sujeción del LIDAR Terrestre al
vehículo mediante la montura r.
(cortesía de Riegl LMS
GmBH).
Escáneres terrestres a
menudo utilizan 1,5
micras para maximizar
la seguridad de los ojos

41. LIDAR TERRESTRE MÓVIL
a) Modo estático, Modelo 3D de una escena. b) Modo dinámico, láser posición
vertical observando la parte derecha del vehículo (modelos 3D urbanos, perfiles de
elementos singulares como cables eléctricos, etc.). c) Modo dinámico, láser posición
horizontal observando el suelo (perfiles de calzadas). d) Modo dinámico, láser
posición horizontal observando el cielo (perfiles de elementos singulares como
catenaria, etc.)

42. LIDAR TERRESTRE MÓVIL

43. PLATAFORMAS
Bell 206 Jet RangerAS350 B3
Cessna 206/210
Piper Navajo
Helicóptero bell 212
twin otter

44. PLATAFORMAS
El Global Hawk
Transbordador espacial
Satélites: Calipso, IceSat, etc.

45. EVOLUCIÓN DE HARDWARE &
SOFTWARE

46. TENDENCIA DE RENDIMIENTO
DEL SISTEMA

47. MEJORAS EN LA TECNOLOGÍA
REDUCEN EL ERROR

48. LIDAR

49. PRECISIÓN VERTICAL Y
HORIZONTAL
Típica precisión vertical absoluta:
+ / - 0,05 metros en superficies duras y regular del terreno abierto.
+ / - 0,10 metros sobre superficies blandas / vegetación (terreno
plano de rodadura)
Típica precisión horizontal absoluta:
+ / - 0,10 a 0,20 metros en todos los terrenos, pero muy
montañoso (depende de la altura de vuelo y la divergencia del haz)

50. ALGUNOS PRODUCTOS LIDAR
1. Fotografía ortorectificadas
2. Modelos Digitales del
Terreno
3. Contorno de los modelos
4. Cartografía topográfica
5. La altura, diámetro de la
copa, estimación de la
biomasa, etc.
6. Análisis de drenaje y la
erosión del suelo.

51. CONCLUSIONES
La precisión que muestra la topografía real de la Tierra (la precisión
del modelo) depende en gran medida la metodología de
recopilación de datos, la densidad de puntos, post-procesado, y la
calidad de los datos de filtrado y edición.
La planificación de los vuelos asegura con éxito el espaciado de
puntos consistente a través un conjunto de datos y la calidad con la
que hay trabajar.
Mayor densidad puntos más detalles pero:¿es necesario?.
Un adecuado post-procesamiento garantiza la coherencia en el
conjunto de datos obtenidos.
"La precisión de los puntos LIDAR se describe mejor como una
función del tipo de terreno la cubierta vegetal y los sensores a
utilizar ."

52. FUENTES BIBLIOGRÁFICAS
1. A white paper on LIDAR Mapping
Http: //www.ambercore.com/files/TerrapointWhitePaper.pdf
2. LIDAR technology overview
Http:
//carms.geog.uvic.ca/LiDAR%20Web%20Docs/LiDAR%20paper%20june%202006.pdf
3. Airborne Laser Scanning (U. Idaho)
Http: //classes.css.wsu.edu/soils374/ppt/lidar2.pdf
4. LIDAR in forestry workshop
Http: //www.softree.com/articles/LiDARWorkshop.pdf
5. PDF-TXT.COMoffice documents search engine
Http: //www.pdf-txt.com/ppt/LIDAR.html
6. Laser altimetry sampling strategies over sea ice
Http: //www.igsoc.org/annals/v52/57/a57a170.pdf