Sistemas LÁSER aerotransportados - La revolución de modelos digitales

Entienda como funciona esta nueva tecnología de mapeo

Siempre que una nueva tecnología es usada para reemplazar a (o en conjunto) un proceso convencional, muchas preguntas quedan en el aire, y eso pasa con el Sistema Láser Aerotransportado - o la denominación que mejor define la tecnología - LIDAR.

LiDAR

Podemos empezar con el término LIDAR. Deriva de Light Detecting And Ranking. Pero, ¿cuál es su verdadero significado? De cierta manera, significa una nueva tecnología que utiliza la luz, específicamente una luz láser para medir distancias. ¿Pero eso es una nueva tecnología? Hace más de 50 años que el espectro electromagnético está siendo utilizado como soporte a la medición de distancias en sistemas de medición. La diferencia está en la obtención de esas distancias a partir de plataformas aerotransportadas.

Sensores de Orientación (Inertial Measurement System)

Una vez que un sistema LASER es instalado en una aeronave, la exactitud posicional instantánea de esta plataforma pasa a ser un factor importante para la calidad de la medida de esta distancia.

Antes del GPS, no había una manera rápida, portátil y segura de saberse exactamente dónde un objeto móvil se encontraba en relación a un sistema de referencia. La tecnología inercial con el uso de Sistemas Inerciales (IMU-Inertial Measurement Systems) para determinar la posición absoluta de un objeto es la forma más adecuada para este fin.

Esos sistemas consisten esencialmente en un par de giroscopios y acelerómetros. Con esos dispositivos, el sistema inercial registra cuan distante, cuan rápido y hacia que dirección un objeto se mueve en relación a un punto de referencia (altitud). Mientras la teoría básica es relativamente sencilla, lograr que ese conjunto consiga trabajar con perfecta exactitud es mucho más difícil. Los sistemas inerciales son afectados por dos situaciones en especial: la resolución de las medidas angulares de inclinación y de aceleración y la cantidad de medidas registradas por el sistema por unidad de tiempo.

Debido a los aspectos de incorporación de otros dispositivos como cámaras aéreas y sistemas LASER, los sistemas inerciales son mucho más compactos y obtener medidas aceptables de las relaciones angulares exige un grado de calidad constructivo elevado, aumentando el costo de ese dispositivo.

Gps

Solucionado el control de la medición de un sistema, permanece el problema posicional. Actualmente, es posible obtener la posición submétrica de una antena GPS instalada en una aeronave. Si la antena está ubicada directamente sobre el centro del emisor LASER (o centro óptico de una cámara aérea), entonces es posible proveer un posicionamiento relativamente preciso del sistema.

La combinación del rastreo aerotransportado con el uso de una base terrestre estratégicamente posicionada en relación al sistema de la aeronave (rayo máximo de 50 Km.) proveerá los datos necesarios para un posprocesamiento diferencial y garantizará la posición del sistema LASER dentro de la calidad de un relevamiento GPS diferencial.

Laser

LASER es el término para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation que puede traducirse en una frecuencia específica de luz pasando por un prisma y concentrarla de manera tal que aun una fuente de luz relativamente baja pueda proyectarse a una relativa distancia con pequeña divergencia. El sistema genera un pulso LASER que, en función de la superficie que alcanza, se refleja (o en parte es absorbida) y el retorno de la luz que se refleja es registrada en un sensor. El emisor del pulso (diodo) genera las pulsaciones de la luz de manera extremamente rápida (hasta 33.000 veces por segundo), pero la velocidad de la luz es tal que el sensor del receptor es sensibilizado por el retorno del pulso antes que la próxima pulsación sea emitida. De una forma más sencilla, el tiempo para el puso emitido llegar hasta la superficie y volver después de la reflexión, multiplicado por la velocidad de la luz y dividido por dos, es la distancia al suelo (u objeto) a partir del sensor Sin embargo, en ese instante, sólo hay un registro sencillo de una distancia y sin los otros dos componentes (posición y altitud), eso pasa a ser de poca importancia. Pero, si la posición instantánea (GPS) y altitud (sistema inercial) del sensor LASER son conocidas, entonces es posible calcular las coordenadas tridimensionales de cada pulso en el suelo o en la superficie donde el pulso fue reflejado.

Sistema LASER

La junción de esos componentes es un sistema LIDAR aerotransportado que depende de su tipo constructivo y de condiciones normales de operación, resultando en un dispositivo con calidad de medición en el orden de centímetros. Los sistemas inerciales pueden detectar cambios de altitud de 0,1º , cuyo efecto posicional depende de la altura de vuelo. Un receptor GPS aerotransportado instalado correctamente resulta en 5 a 10 cm. de error. Agregando esos componentes y suponiendo que algunos errores puedan minimizar otros, los fabricantes garantizan una calidad altimétrica de 20 cm (altura de vuelo de 1.000m) para la componente vertical de 0,50 a 1,00 m para la componente horizontal. En caso de que se necesite una imagen en el espectro visible, es preciso un sensor fotográfico. La mayoría de los sistemas LIDAR usan una cámara de video digital acoplada al conjunto, realizando un relevamiento conocido como videografía. Cada frame de video está referenciado, una vez que se registran las coordenadas GPS del sistema aerotransportado.

Procesamiento

Cada fabricante provee un programa para procesamiento de los datos LASER con capacidad y funcionalidad distintas. Es común la remoción de datos irrelevantes para que se haga el modelo del terreno.

Es claro que, si un sistema LIDAR opera sobre una mata muy densa, los pulsos que vuelven serán producto de la reflexión en la copa de los árboles. Sin embargo, debido a aspectos constructivos, algunos sistemas consiguen diferenciar múltiplos retornos de un pulso. Así, un pulso que cruzó una cobertura vegetal y reflejó en el suelo puede ser diferenciado por el sistema, estableciendo una condición única de identificación del modelo del terreno y de la superficie (en el caso de la cobertura vegetal). Esa es una ventaja indiscutible sobre los procesos fotogramétricos convencionales que usan la correlación de imagen o captación de curvas de nivel para modelar el terreno.

El resultado de este procesamiento es una grilla de puntos X,Y,Z densa suficiente para derivar diversos productos fotogramétricos: curvas de nivel, mapas hipsométricos y declividad, modelos digitales del terreno o de elevación, perfil del terreno y otros productos altimétricos.

Hay dos ventajas importantes respecto a los procesos fotogramétricos convencionales. Debido a sus características de operación, el Sistema Láser Aerotransportado sufre menos influencia por las condiciones atmosféricas adversas, como cobertura de nubes y lluvia. Como se trata de luz próxima del espectro visible, interrupciones visuales del pulso son los únicos obstáculos en el proceso. De esa forma, días de poco sol son incluso más propicios para la ejecución de levantamientos LASER. Otra ventaja es la rapidez en la captación, o sea, en las operaciones de campo y pos relevamiento. El procesamiento de datos crudos independe de servicios adicionales, una vez que son exclusivamente numéricos. En los procesos fotogramétricos, el uso de escáner y estaciones de trabajo tienen importancia fundamental para la derivación de los modelos digitales. En el caso de los Sistemas Láser Aerotransportado, el procesamiento de los datos crudos es la única actividad a ser hecha para la obte nción del modelo digital.

LiDAR y Fotogrametría

Para muchos, el sistema LASER es considerado como una solución completa que llega a reemplazar la Fotogrametría. Es prudente que los usuarios de esa tecnología interpreten el LASER como siendo otra herramienta más o sensor que ayudará en la solución de problemas específicos de la Fotogrametría o de la Ingeniería. Así como las imágenes satelitales, de RADAR, o de Fotogrametría, los Sistemas Láser Aerotransportados tienen su aplicación apuntada hacia donde sea económicamente viable. Puede proveer resultados muy rápidos y precisos en distintas situaciones donde lo s métodos convencionales no son los más apropiados.