Tecnología LiDAR y topografía con datos LiDAR

Métodos para medir un terreno en topografía

♦️ Medición directa con instrumentos como el teodolito, estaciones totales y niveles de burbuja.

♦️ Técnicas de GPS y GNSS, que utilizan satélites para determinar la posición y elevación de un punto en la tierra.

♦️ Métodos de fotogrametría, que utilizan imágenes aéreas y satelitales para producir modelos digitales del terreno.

♦️ Métodos de LiDAR, se utiliza un láser para medir la distancia a la superficie del terreno.

La elección del método depende de varios factores, como la precisión requerida, la disponibilidad de instrumentos y la naturaleza del terreno.

¿Qué aplicaciones tiene el LiDAR?

• Geología, mapas de deslizamiento en zonas de altos riesgo geológico.
• Represas.
• Arqueología, descifrar indicios arqueológicos en lugares poco explorados.
• Construcción, cálculo de terracerías con una mayor precisión, escaneo de construcciones de muchas carreteras en poco tiempo y con una mayor precisión.
• Lotificaciones y urbanizaciones grandes, para detalles de áreas de sondeos para estudios variados.
• Forestal, control de reservas forestales, incluso se realiza el conteo de árboles por hectáreas, clasificación por alturas, información topográfica precisa de todo el terreno a medir.
• Líneas de tendido eléctrico, cruces de líneas, vegetación, separación de torres eléctricas con detalles muy precisos.
• Las imágenes LiDAR nos proporcionan un modelado con alta resolución en 3D de terrenos y cultivos de gran extensión.
• Petróleo y gas, planificación de extensas redes de tuberías en terrenos muy accidentados e inaccesibles.
• Ordenamiento territorial.
• Minería, volumetría y levantamientos topográficos existentes y por demoler.
• El LIDAR terrestre es aplicado para agricultura de grandes extensiones, líneas de surcos, desempeño de los cultivos, riegos, etc.
• Modelado de superficies de terrenos e impresiones del mismo con la utilización de mapas y puntos (LiDAR maps), así como la realización en máquinas para presentaciones en eventos.
• Podemos realizar un estudio más preciso sobre las alturas de inundaciones en ciertas zonas.
• Extracción de cotas de suelos.
• Vectores tridimensionales.
• Ortofotos digitales para el procesamiento de datos variados en topografía, e inclusión para estudios de zonas de deslizamientos en ciudades muy pobladas que requieren un análisis preciso y con mayor rapidez y precisión.

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¿Qué significa la palabra LiDAR?

LiDAR (light detection and ranging), es un sistema con detección de luz y rango de alcance, es la técnica que mediante un láser puede medir distancias desde el emisor láser hasta un punto específico, para obtener muchos puntos de muestra y poder generar mediante programas el modelado en 3D con curvas de nivel, aplicables por su economía y precisión a terrenos de gran extensión.

Nos viene a la mente esta pregunta ¿LiDAR qué es?, esta tecnología LiDAR se trata de un sistema de mediciones de forma remota, utilizando un barrido con sensor láser, en donde se emiten pulsos y luego se registran mediante software los retornos para saber la distancia de cada pulso y así poder modelar en 3D los pulsos con retornos.

Al ubicar este sensor en un dron, avioneta o helicóptero entonces lo llamamos LiDAR transportado, y su utilización de esta manera tiene aplicaciones en las obras civiles, agricultura y mediciones con modelado en 3D de grandes extensiones de terrenos, carreteras, ferrocarriles, represas, zonas de reserva, ciudades y mucho más.

Muy importante en la utilización de mediciones de grandes extensiones de terrenos en donde se necesitan las alturas y dimensiones con mucha precisión de todo lo que abarca dicha zona de estudio, para después extraer datos para su análisis, que se pueden modelar en 3D y poder saber con mayor precisión y claridad visual sobre lo que se observa en dicho terreno con el sistema LiDAR.

Componentes de la tecnología LiDAR

• ALS: escáner láser LiDAR aerotransportado.
• Cámara de video o fotografía.
• Medio de transporte, puede ser dron, aeroplano o helicóptero.
• GPS diferencial, se coloca como estación de control para planear los vuelos y georreferenciar las tomas aéreas.
• Hardware.
• Escáner láser.
• INS, que es el sistema de navegación por inercia.

LiDAR satélite

LiDAR es un acrónimo del inglés, este sistema funciona con un haz láser donde se mide el tiempo de retorno y el programa del mismo equipo realiza sus cálculos para dar una referencia en distancias con gran precisión, y según el número de puntos tomados se pueden realizar modelados den 3D, con el apoyo y georreferenciación de satélites con sistemas RTK y PPK.

¿Qué es el PPK en drones?

Esta función PPK en los drones se basa precisamente en etiquetar con mayor precisión la imagen escaneada, se realiza con una base en tierra que está fija, mientras el dron realiza el vuelo planeado en la zona con información GNSS, en donde va correlacionando la información con la estación fija en tierra.

Esta información no es en tiempo real, sino cuando finaliza el vuelo, pero es una técnica de posicionamiento muy precisa con el PPK (Post Processed Kinematic)

¿Qué es el RTK?

El RTK (Real-Time Kinematic) es un sistema de posicionamiento de alta precisión utilizado en topografía.

Se basa en la recepción de señales GNSS (sistema global de navegación por satélite) en tiempo real para determinar la posición de un receptor en el terreno con una precisión de milímetros.

Este sistema utiliza una estación base que transmite información precisa sobre su ubicación y un receptor móvil que la recibe y la utiliza para calcular su propia posición.

Este método es especialmente útil en aplicaciones que requieren una alta precisión espacial, como en la construcción de carreteras, puentes, presas, utilizado en levantamientos topográficos con estación total o LiDAR.

Los tipos de láser existentes en LiDAR

• Lidar de pulsos, medición de distancias mediante el tiempo que se tarda el láser en el rebote del objeto y el sensor que lo emite.
• Lidar de medición de fases, emisión de luz láser continua.

¿Qué hace el sensor LiDAR?

Un sensor LiDAR hace una detección de luz y distancias, desde emisor láser a un objeto, las cuales toma la separación de cada una y mediante el proceso de esta información en programas como nube de puntos (lidar point cloud), se obtienen datos de mucha importancia para las obras civiles y agricultura, así como variadas funciones de realidad virtual.

¿Para qué se utiliza el vuelo con LiDAR?

• La tecnología lidar (lidar technology) se utiliza generalmente para la topografía de terrenos con gran extensión, como ser vías terrestres, cuencas, represas, agricultura, etc.
• Tendidos eléctricos con escáner LiDAR.
• Para zonificación de las cuencas hidrográficas, diseños de vías, delimitación por alturas de terrenos sumamente inundables.
• Con este sistema de vuelos se realiza un escaneo de la superficie del terreno.
• Generación de modelado de una residencial en 3d LiDAR, edificios, y estructuras de gran magnitud.

Combinación perfecta entre drones y LiDAR

Hace algunos años se creó esta iniciativa y hasta el día de hoy ha sido muy útil y económica para muchas empresas constructoras y organizaciones internacionales para diferentes fines.

Este sistema tiene incorporado los siguientes componentes para la adquisición de datos:

• Dron, helicóptero o avioneta.
• Sensor LiDAR.
• Cámara RGB.
• Receptor GNSS.
• Unidad de medición inercial IMU.
• Operador del dron.
• Software de misiones de vuelos.
• Estabilizador de tres ejes.
• Computadoras de altos rendimiento para el procesamiento de los datos.
• Expertos en el procesamiento de datos y presentación de datos de forma amena.

¿Qué problemas viene a solventar el sistema LiDAR?

• Diseño de topografía para terrenos que son poco accesibles o muy extensos, los cuales con una estación total o sistemas de topografía en tierra sería costosa, con un largo período de tiempo y menos precisa.
• Para la ejecución de grandes proyectos que necesitan un mayor número de puntos y precisión con una incomparable rapidez de entrega en los datos para su posterior ejecución, mas comúnmente realizados con LiDAR en drones.
• Generalmente estos trabajos en campo con LiDAR se ejecutan en uno o dos vuelos diarios con un área de hasta 4,000 hectáreas, proyectos de 20,000 hectáreas se llegan a desarrollar en un cuarto de tiempo que al realizarlos con equipos de topografía convencional, como ser estaciones totales y cuadrillas de topógrafos grandes.

Un sistema de datos LiDAR pueden llegar a realizar curvas de nivel con hasta 810 puntos por metro cuadrado, lo que representará con una delicada precisión del terreno en donde se realizó el levantamiento topográfico.

¿Qué iPhone tiene LiDAR?

Actualmente se están utilizando los iPhone con LiDAR para realidad virtual y detalles de escaneo de pequeñas áreas y aplicaciones de ingeniería civil y arquitectura, tales como ser:

• iPhone 12 Pro
• iPhone 12 Pro Max
• iPhone 13 Pro
• iPhone 13 Pro Max
• iPhone 14
• iPad Pro 11″ de segunda generación
• iPad Pro 12.9″ de cuarta generación

Con énfasis a mejorar la fotografía y a la realidad aumentada, así como poder ver en la oscuridad, esta tecnología está cambiando la forma de realizar los trabajos en la ingeniería, tanto así que se está incorporando en celulares para aplicativos pequeños y juegos de vanguardia.

Ventajas del sistema LiDAR

• Un escáner LiDAR nos da una imagen con mayor precisión en el diseño de pendientes y puntos que son casi inaccesibles por equipos convencionales.
• Facilidad para ingresar en zonas de alto riesgo geológico y que no es accesible con equipos convencionales, para estudios de zonas de alta vulnerabilidad geológica.
• Menor costo en grandes extensiones de terrenos.
• Con los sensores LiDAR nos proporciona una mayor rapidez en el levantamiento topográfico.
• Modelados de terrenos con información de vegetación, estructuras y edificaciones encontradas en el mismo.
• Modelado hidráulicos con muy alta precisión.
• Con drones LiDAR podemos adquirir ortofotografía de alta resolución, desde 1 cm por pixel.
• Ideal para trabajar sobre esta imagen georreferenciada con los planos.
• Obtención de 100 hasta 800 puntos por metro cuadrado, bastante precisión para cálculo de corte y rellenos.
• Los diseños se pueden entregar en muchos formatos como ser: TIFF, XYZ, XML y PDF.
• Reduce las intensidades de muestreo, y esto lo realiza con mucha mayor precisión que las actuales técnicas de medición.
• Se utiliza mucho en desarrollo de tecnologías para vehículos no tripulados, en combinación con la inteligencia artificial.
• Monitoreo de biodiversidad de grandes extensiones en tan poco tiempo, y en lugares donde no hay accesos terrestres.
• Mejora la información detallada para planes de manejo de áreas protegidas.
• En México se ha estado utilizando mucho la tecnología LIDAR para dar a conocer con precisión la cartografía de las reservas forestales y la biodiversidad existente para su posterior protección con planes de manejo y ayudas internacionales para su conservación.

Comparativas entre las técnicas más utilizadas con la de LiDAR

LiDAR

• Hasta 400 hectáreas diarias en todo tipo de terreno, incluso si son inaccesibles por vía terrestre.
• Más de 100 puntos por metro cuadrado, y 10 puntos por metro cuadrado bajo vegetación.
• Precisión de hasta 5 centímetros en las cotas y planimetría.
• Utilización en cualquier tipo de terreno sin importar la vegetación o accesos.
• No se necesita transitar por el área de estudio, porque no hay algún riesgo al equipo o humano.
• No se requiere imágenes externas para obtener información de la zona escaneada con LiDAR.
• Se puede utilizar en condiciones de poca luz o de noche, así como en condiciones de humo, nieve, neblina y nubosidad.

Fotogrametría

• Hasta 1,000 hectáreas diarias, en todo tipo de terrenos.
• Alrededor de 300 puntos por metro cuadrado, no permite puntos bajo vegetación.
• Precisión de 8 a 15 centímetros dependiendo del número de puntos de control que se realicen.
• Debe existir accesos para la colocación de puntos de control, por lo tanto deben ser terrenos con poca vegetación.
• Requiere ubicación de puntos estratégicos para un mejor control.

Topografía

• Rendimiento variable y medio depende mucho del tipo de terreno y el número de cuadrillas de topógrafos, coordinación de los mismos, ejecución más tardía en terrenos my extensos.
• 0.5 puntos por metro cuadrado, depende mucho de la accesibilidad del terreno, en zonas grandes y boscosas es casi imposible el ingreso terrestre.
• Presión menor de 5 centímetros, dependiendo de la poligonal de cierre.
• Terrenos con poca vegetación y con accesos trazados para poder colocar los aparatos.
• Existe un riesgo humano y de equipo, al requerir que se deba de transitar por todos los puntos de medición, cuando se ejecuta el proyecto en zonas boscosas o de accesos de alto riesgo social.

Consejos para usar sistemas LiDAR en levantamientos topográficos

♦️ Conocimiento de la tecnología: Tener un conocimiento sólido de la tecnología LiDAR antes de empezar a utilizarla en levantamientos topográficos.

♦️ Selección del equipo adecuado: El equipo LiDAR adecuado para un proyecto específico debe ser en base a los requerimientos y áreas de un proyecto, teniendo en cuenta factores como la precisión y la distancia de medición.

♦️ Planificación adecuada: Planificar cuidadosamente el levantamiento, incluyendo el diseño del muestreo, la selección de puntos de control y la definición de las áreas de medición.

♦️ Calibración y verificación del equipo: Calibrar y verificar el equipo antes de empezar a realizar mediciones para garantizar la precisión de los datos.

♦️ Análisis cuidadoso de los datos: Analizar cuidadosamente los datos recogidos por el sistema LiDAR para garantizar la precisión y la integridad de los resultados.

♦️ Validación con medios tradicionales: Validar los resultados obtenidos con el sistema LiDAR con medios topográficos tradicionales, como estaciones totales y niveles, para asegurarse de la precisión de los resultados, en caso de requerir estos procesos extras según el tipo de proyecto.

Usar sistemas LiDAR en levantamientos topográficos puede ser una herramienta valiosa para la obtención de datos precisos y eficientes, pero es importante seguir cuidadosamente estos consejos para garantizar resultados precisos y fiables.

Conclusiones

• LiDAR no es una palabra, es un acrónimo del inglés “Laser Imaging Detention And Ranging” por lo tanto se debe escribir en mayúsculas, sin tildes y no usar plural al escribirla, porque es una conducción de siglas o de sílabas.
• También son acrónimos RADAR, LASER y LED, pero que con el uso del tiempo se volvieron de uso común y por ello las siglas se lexicalizaron y se pueden escribir con plurales y usando minúsculas.
• La tecnología LIDAR es tan precisa que en levantamientos de redes de energía, se pueden observar los detalles de cables eléctricos, la separación precisa entre cada uno, así como las altura de las torres eléctricas y la vegetación existente alrededor para su mantenimiento completo.
• Es posible detallar el suelo descubierto por vegetación, estos pulsos también permiten penetrar los espacios entre hojas y ramas, pudiendo escanear solamente la topografía del suelo, sin intervenir la vegetación, en caso de ser necesario y que no sea importante la información de la vegetación existente.
• Inclusive, con el sistema LIDAR se puede seguir trabajando de noche o en entornos de poca luz, ya que estos sensores no necesitan de luz para el escaneo.
• Anteriormente la tecnología LIDAR era muy costosa, hoy en día esta tecnología ha venido a revolucionar al industria de la construcción y la agricultura con sus bajos costos y rapidez de obtención de datos.

Comenta que aplicaciones y experiencias has tenido con la tecnología LiDAR en tus proyectos de construcción…

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