Introducción a la tecnología LiDAR

En los últimos años se ha incrementado el uso de nuevas tecnologías en estudios y trabajos relacionados con el medio natural (forestales, topográficos, geomáticos, etc), lo cual ha aumentado la calidad y el grado de detalle en los mismos. Dentro de estas nuevas herramientas y en este ámbito natural, destaca la utilización de la tecnología LiDAR (Light Detection and Ranging) que se basa principalmente en el uso de una luz láser para medir alturas sobre el terreno.

Existen diversas clasificaciones que se pueden hacer dentro de la tecnología LiDAR, aunque principalmente se puede distinguir entre LiDAR terrestre y el aerotransportado, en base al vehículo de recolección o plataforma sobre la que se instala el sistema. Dentro del LiDAR terrestre, se distingue a su vez entre móvil, cuando el sistema LiDAR va acoplado a un vehículo como por ejemplo un coche (figura 1), y fijo, cuando el sistema se encuentra acoplado en un trípode (figura 2). En el LiDAR aerotransportado el sistema se puede instalar en un avión o helicóptero y hasta en drones (figura 3).

Figura 1. LiDAR terrestre móvil. Fuente: MMT Equipos.

Figura 2. LiDAR terrestre estación fija. 

Fuente: Ruiz, Garro y Soto, 2014.

Figura 3. LiDAR aerotransportado. 

Fuente: ATyges.

Tanto el LiDAR terrestre como el aerotransportado comparten la misma base de funcionamiento, diferenciándose principalmente en el medio (aéreo o terrestre) en el que trabaja el equipo, y el efecto que eso supone en los datos que se obtienen. Por esto, dependiendo del tipo de LiDAR con el que se trabaje, este puede requerir el uso de algunos equipos complementarios  a él.

Este post se centra más en el LiDAR aerotransportado, debido a que este tipo de LiDAR se lleva utilizando con gran frecuencia en los últimos tiempos en trabajos y estudios relacionados con el medio natural y el territorio, entre otras cosas por su capacidad para poder trabajar con áreas de terreno de gran tamaño y de difícil acceso, permite el estudio de la vegetación y de su estructura, gracias a la capacidad del láser para penetrar en el dosel arbóreo hasta llegar al suelo, y por ser una opción más económica que otras a la hora de obtener información de amplias zonas de terreno (Martínez, Rivera, Cabaleiro, Pena, Vilarino et al., 2015.).

La tecnología LiDAR se comenzó a desarrollar en los años 70, dentro de los programas de investigación realizados por la NASA (National Aeronautics and Space Administration), pero concretamente el LiDAR aerotransportado no empezó a ganar popularidad hasta que se le incorporó los sistemas GPS (Global Positioning System) e IMU (Inertial Measurement Unit) a finales de los años 80, significándose un aumento de su resolución y fiabilidad, produciéndose un incremento de su uso en estudios y proyectos (Romero y Mas, 2006).

Desde un punto de vista más técnico, el LiDAR se trata de un sistema activo de detección remota basado en un escáner láser (Morán, Landa y Vega, 2014), entendiéndose por sistema activo como aquel que emite su propia radiación (luz láser en este caso) y la vuelve a recibir una vez rebotada en la superficie terrestre o en los objetos presentes en ella. En el caso del LiDAR aerotransportado se necesitan otros componentes a parte del escáner, mencionados anteriormente (MAPAMA, n.d.):

• GPS mediante el cual se determina en cada momento la posición del vehículo o plataforma que lleva incorporado el sistema LiDAR. 
• IMU que se trata de la unidad de medición inercial, y su función consiste en determinar los parámetros de orientación del sensor láser (rotación, inclinación y encabezamiento).

El principio de funcionamiento de la tecnología LiDAR se basa en un sensor que emite pulsos láser y mide el tiempo transcurrido entre la emisión de los pulsos y la recepción de los mismos (denominados retornos) después de haber chocado contra la superficie terrestre o elementos presentes en ella (figura 4), calculándose de esta forma la distancia existente entre él mismo y los elementos de la superficie terrestre, obteniéndose por tanto la altimetría del terreno y sus entidades (García, 2009). 

Figura 4. LiDAR aerotransportando trabjando sobre un terreno. 

Fuente: Torres y Torres, 2010.

Esto, combinado con la información que suministran el GPS y el IMU, proporcionan las coordenadas (x, y, z) de cada pulso láser que impactó en la superficie terrestre y sus elementos (García, 2009).

Dependiendo de la superficie (suelo desnudo, vegetación o agua) sobre la que impacten los pulsos láser, el sensor recibe un mayor o menor número de retornos. En superficies desnudas similares como el suelo, se obtiene un único retorno (se refleja todo el haz de luz), mientras que cuando se trata de superficies con vegetación el sensor puede captar varios retornos (hasta cuatro) para un mismo pulso de luz láser, debido a que una parte de este se refleja y vuelve al sensor, y la otra sigue incidiendo sobre la vegetación hasta llegar al suelo (Fernández-Landa et al., 2013).

Como se puede observar en la siguiente figura 5, cuando un pulso láser cae sobre un árbol, el primer retorno que recibe el sensor se corresponde con la parte superior de la copa, el segundo y  tercer retorno pueden provenir de partes de la copa más inferiores, ramas o segmentos del tronco, y el cuarto (y último) retorno se trata del suelo. Cuando la superficie es agua, no se produce ningún retorno (o quizá alguno de muy baja intensidad) ya que este elemento absorbe el pulso de luz láser.

Figura 5. Pulso LiDAR que cae sobre un árbol y retornos que

         vuelven al sistema. Fuente: Ojeda y Martínez, 2012.

Al final del proceso, con la tecnología LiDAR se obtienen densas nubes de puntos en tres dimensiones que proporcionan información vertical y horizontal con una alta resolución espacial y que describen con gran detalle la superficie terrestre, como Modelos Digitales del Terreno (MDT) y Modelos Digitales de Elevaciones (MDE) (Lim et al., 2003). También se pueden obtener atributos forestales mediante un correcto procesamiento de la nube de puntos LiDAR, como la fracción de cabida cubierta (FCC), las alturas máximas de la vegetación, la altura dominante, la presencia de matorral  o regeneración avanzada, y/o la existencia o no de continuidad vertical u horizontal de los combustibles forestales (Condés, Fernández-Landa y Rodríguez, 2013). Algunos de estos atributos se pueden obtener de manera directa a partir de los datos (x, y, z) proporcionados por los sistemas LiDAR, mientras que otros se obtienen de manera indirecta mediante el establecimiento de modelos estadísticos o relaciones empíricas (García, 2006).

Finalmente, las nubes de puntos que ha recopilado el sensor se almacenan en formato binario en archivos con extensión *.LAS, que se trata de un formato público para el intercambio de datos LiDAR entre los generadores de información y los usuarios (Fagua, Campo y Posada, 2011). Existen varios softwares que se pueden usar para trabajar con datos LiDAR, como el FugroViewer (software gratuito) que se utiliza principalmente para visualizar ficheros *.LAS, pudiéndose consultar diferentes características de las nubes de puntos. En cambio, para trabajar y procesar los datos LiDAR destacan el software FUSION y el QGIS, ambos gratis, y el ArcGIS, el cual ya requiere licencia.

Generalmente, cada vez son más las empresas que recopilan sus propios datos LiDAR mediante el uso de drones o mediante la contratación de vuelos privados de aviones para este fin. Sin embargo, en España existe el llamado Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) que además de tener por objetivo la generación de ortofotografía aérea del territorio nacional, tiene por misión cubrir todo el territorio de España mediante nubes de puntos con coordenadas x, y, z obtenidas mediante sensores LiDAR aerotransportados. Estos datos se distribuyen a través del Centro Nacional de Información Geográfica (CNIG), de forma totalmente gratuita. En la siguiente imagen se muestra el estado de la cobertura LiDAR en España según el PNOA, indicándose también los años en los que se realizaron los vuelos sobre el territorio nacional (IGN).

Figura 6. Cobertura de datos LiDAR en España. Fuente: IGN.

Para finalizar, cabe resaltar las principales ventajas del uso de la tecnología LiDAR frente a otras técnicas más antiguas, como la fotogrametría (Romero y Mas, 2006):

• La información recopilada por el sistema se registra de manera digital, facilitando su procesamiento automático por medio de diversos paquetes informáticos. 
• El láser se trata de un sensor activo, siendo más independiente de las condiciones climáticas y permitiendo la definición de un gran número de parámetros de adquisición. 
• Se trata de un muestreo aéreo en el que la información se recopila de manera rápida, precisa y directa, permitiendo trabajar en zonas de difícil acceso. 
• Gran precisión vertical de los datos obtenidos y con un menor coste por unidad de superficie, respecto la topografía y la fotogrametría. 
• Capacidad para penetrar en la vegetación, por lo que facilita su estudio y la obtención de variables forestales, además de información relacionada con la superficie del terreno.

Bibliografía:

- ATyges (n.d.). LiDAR, Obtenido el 13 de febrero de 2018, http://www.atyges.es/drones/sistemas/10/lidar

- Condés, S., Fernández-Landa, A., y Rodríguez, F. (2013). Influencia del inventario de campo en el error de muestreo obtenido en un inventario con tecnología Lidar. 6ª Congreso Forestal Español. Sociedad Española de Ciencias Forestales. 6CFE01-432.

- Fagua, J. C., Campo, A., y Posada, E. (2011). Desarrollo de dos metodologías para la generación de modelos digitales de terreno (MDT) y superficie (MDS) empleando datos LiDAR y programas de licencia libre. Análisis Geográfico, 49, 83-95.

- Fernández-Landa, A., Rodríguez, F., López, D., González-Olabarria, J. R., Mola-Yudego, B., Lasala, D., ... y Gómez, A. (2013). Los sensores aerotransportados LiDAR y multiespectrales en la descripción y cuantificación de los recursos  forestales. MONTES, 112, 31-36.

- García, M. (2006). Obtención de variables forestales a partir de datos LiDAR. Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. Grupo Tragsa.

- García, J. C. (2009). DielmoOpenLiDAR: control de calidad de datos LiDAR y generación de productos finales. III JORNADAS DE SIG LIBRE. Servei de Sistemes d’Informació Geogràfica i Teledetecció. Universitat de Girona. Girona Març.

- Instituto Geográfico Nacional (n.d.). Plan Nacional de Ortofotografía Aérea: Cobertura LiDAR. Obtenido el 13 de febrero de 2018, de http://pnoa.ign.es/coberturalidar

- Lim, K., Treitz, P., Wulder, M., St-Onge, B., y Flood, M. (2003). LiDAR remote sensing of forest structure. Progress in Physical Geography, 27, 88-106.

- MAPAMA (n.d.) . Aplicación de la tecnología LiDAR al seguimiento en la Red de Parques Nacionales. Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. Grupo Tragsa.

- Martínez, J., Rivera, F. F., Cabaleiro, J. C., Pena, T. F., Vilarino, D. L., Miranda, D., y Buján, S. (2015) Paralelización de un clasificador automático de objetos con datos de sensores remotos LiDAR.

- MMT Equipos (n.d.). LiDAR terrestre móvil. Obtenido el 13 de febrero de 2018, http://www.mmtequipos.com/otros_equipos.html

- Morán, J. T., Landa, A. F. y Vega, P. R. (2014). Elaboración de cartografía forestal en canarias a partir de datos LIDAR. In Investigación, gestión y técnica forestal, en la región de la Macaronesia (pp. 185-200). Colegio de Ingenieros de Montes.

- Ojeda, J. C. y Martínez, J. (2012). Empleo del LiDAR en aplicaciones ambientales terrestres: PNOA-LiDAR. Instituto Geográfico Nacional. Subdirección General de Geodesia y Cartografía. Unidad de Observación del Territorio. Ministerio de Fomento.

- Romero, R. M., y Mas, F. M. (2006). Aplicaciones de la teledetección láser (LiDAR) en la caracterización y gestión del medio fluvial. Ingeniería civil, (142), 29-44.

- Ruiz, P., Garro, J. F., y Soto, G. J. (2014). The Use of Lidar Images in Costa Rica: Case Studies Aplied in Geology, Enginneering, and Archeology. Revista Geológica de América Central, (51), 7-31.

- Torres, F. J. A., y Torres, M. Á. A. (2010). Integración y análisis exploratorio de datos geoespaciales como base para la gestión integrada del litoral.