Lidar princ fundamentales

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA, METALÚRGICA Y

GEOGRÁFICA

E. A. P. DE INGENIERÍA GEOGRÁFICAASIGNATURA: TELEMETRÍA

CICLO 2011-II

RUBÉN CASTRO MENDOZACÓDIGO: 06160043

DOCENTE: ING. ROGER ZÚÑIGA E.OCTUBRE- 2011

LIMA-PERÚ

TECNOLOGÍA LIDAR: PRINCIPIOS FUNDAMENTALES Y

APLICACIONES

LIDAR (Light Detecting And Ranging)

RUBÉN CASTRO MENDOZA

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.

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.



GPS

IMU

Position and Orientation

Ranging Subsystem

Laser Trans.

Laser Receiver

Scanning / Pointing System

System Controller

Data Storage

Ground / Target

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.

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 demuchos parámetros, como el patrón de lectura, PRF, velocidad de barrido, altura de vuelo, la velocidad del avión, FOV, etc

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.)

LONGITUD DE ONDA


MECANISMOS DE ESCANEO Y PATRONES DE LECTURA DEL SUELO


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.

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.

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.

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

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.)

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.

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.

EJEMPLO DEL ESPEJO DE POLÍGONO


HAZ DE DIVERGENCIA


REFLECTIVIDAD


PRINCIPIO DE MEDICIÓN DEL PULSO DE LÁSER


PULSO MULTIRETORNO


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.

RIELG LMS- Q680i


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.

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

For real action click the image

LandLand Shoal waterShoal water Deep Deep waterwater

Método tradicionalbatimétrico 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 profundaLínea costera de agua poca profunda

VENTAJAS DE SHOALS FRENTE A LA BATIMETRÍA TRADICIONAL


En simultáneo En simultáneo levanta la zona levanta la zona costera de costera de tierra y tierra y superficie bajo superficie bajo el agua.el agua.

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.

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.

RIEGL VQ-820-G


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.

The Geoscience Laser Altimeter System (GLAS)


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.

LIDAR Y LOS AEROSOLES ATMOSFÉRICOS


Distribución espacial de las partículas en el cielo.

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.

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.

LIDAR TERRESTRELaser Scanner LMS-Z620


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



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.)

PLATAFORMAS


Bell 206 Jet RangerAS350 B3

Cessna 206/210Piper Navajo

Helicóptero bell 212

twin otter

PLATAFORMAS


El Global Hawk

Transbordador espacial

Satélites: Calipso, IceSat, etc.

EVOLUCIÓN DE HARDWARE & SOFTWARE


TENDENCIA DE RENDIMIENTO DEL SISTEMA


MEJORAS EN LA TECNOLOGÍA REDUCEN EL ERRROR


LIDAR


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)

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.

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 ."

FUENTES BIBLIOGRÁFICAS


1. A white paper on LIDAR MappingHttp: //www.ambercore.com/files/TerrapointWhitePaper.pdf2. LIDAR technology overviewHttp: //carms.geog.uvic.ca/LiDAR%20Web%20Docs/LiDAR%20paper%20june%202006.pdf3. Airborne Laser Scanning (U. Idaho)Http: //classes.css.wsu.edu/soils374/ppt/lidar2.pdf4. LIDAR in forestry workshopHttp: //www.softree.com/articles/LiDARWorkshop.pdf5. PDF-TXT.COMoffice documents search engine Http: //www.pdf-txt.com/ppt/LIDAR.html6. Laser altimetry sampling strategies over sea iceHttp: //www.igsoc.org/annals/v52/57/a57a170.pdf

Lidar princ fundamentales

Technology

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