O que é a tecnologia LiDAR? Um guia completo

Pergunte a uma sala cheia de topógrafos, operadores de drones, engenheiros de veículos autónomos e consultores de BIM o que é LiDAR e obterá cinco respostas corretas diferentes. A tecnologia espalhou-se pelas indústrias com rapidez suficiente para que a palavra se tenha tornado um termo abrangente, utilizado para tudo, desde um scanner de mochila que mapeia um edifício histórico até ao sensor de obstáculos de um camião autónomo. Por detrás da variedade está um princípio físico partilhado e um pequeno conjunto de opções de conceção que explicam por que razão um LiDAR é adequado para um trabalho e incorreto para outro. Este guia explica o que é o LiDAR, como funciona realmente, os quatro factores de forma que dominam a utilização profissional, as compensações de precisão e alcance que orientam a seleção de produtos e as perguntas a fazer ao escolher um sistema.
 

LiDAR significa Light Detection and Ranging (Deteção e alcance de luz). O princípio é simples: enviar um impulso de luz laser, medir o tempo que demora a reflexão a regressar, multiplicar pela velocidade da luz e dividir por dois. Isso dá a distância até à superfície que o impulso atingiu. Repita esta operação milhões de vezes por segundo num campo de visão de varrimento e constrói-se uma nuvem de pontos tridimensional do ambiente. Cada ponto nessa nuvem tem uma coordenada XYZ, muitas vezes um valor de intensidade de retorno e, em sistemas de retorno múltiplo, um registo da forma como o impulso interagiu com as superfícies intermédias (primeiro a copa da vegetação, depois o solo, por exemplo). A nuvem de pontos é o produto de dados; o scanner é o instrumento; a tecnologia LiDAR é a engenharia que transforma a física numa medição utilizável à velocidade e precisão que um fluxo de trabalho profissional necessita.

Como funciona realmente o LiDAR

Um sensor LiDAR moderno tem quatro partes funcionais: uma fonte laser, um mecanismo de orientação do feixe, um detetor e um sistema de temporização ou de medição de fase. A fonte de laser emite impulsos curtos (normalmente com alguns nanossegundos de largura) num comprimento de onda escolhido para a aplicação: 905 nm e 1550 nm são os dois mais comuns nos sistemas profissionais, sendo o de 1550 nm preferido quando a segurança dos olhos a longa distância é importante. O mecanismo de orientação do feixe, normalmente um prisma rotativo, um espelho oscilante ou um conjunto de fases de estado sólido, varre o impulso através da cena. O detetor fica à espera do retorno. O sistema de temporização mede o tempo de ida e volta com uma resolução inferior a um nanossegundo, o que se traduz numa precisão de alcance à escala centimétrica em boas condições.
 

Dois refinamentos separam o LiDAR profissional de um sensor de alcance de passatempo. Primeiro, o processamento multi-retorno. Um único impulso de laser apontado à copa de uma árvore pode refletir-se parcialmente nas folhas, parcialmente nos ramos e parcialmente no solo por baixo. Um sensor multi-retorno regista cada uma dessas reflexões separadamente, produzindo uma nuvem de pontos que capta a estrutura da vegetação e não apenas a superfície da copa. A cartografia florestal aérea depende inteiramente desta capacidade. Em segundo lugar, a digitalização de formas de onda completas. Em vez de registar retornos discretos, o sensor recolhe amostras de toda a forma do impulso refletido, que contém informações sobre a rugosidade da superfície, a inclinação e a refletividade parcial. O LiDAR de forma de onda completa é o topo de gama do mercado e é utilizado em trabalhos geofísicos e batimétricos em que um sistema de retorno discreto perderia pormenor.
 

O resultado de qualquer levantamento LiDAR é uma nuvem de pontos, mas uma nuvem de pontos em bruto raramente é o produto final. Os fluxos de trabalho modernos processam a nuvem em produtos derivados: um modelo digital de terreno para o solo nu, um modelo digital de superfície para a cobertura vegetal ou ambiente construído, conjuntos de pontos classificados para solo/vegetação/edifícios e, cada vez mais, representações em malha e em splat gaussiano 3D para visualização. O nosso artigo anterior sobre o processamento de nuvens de pontos LiDAR com malha e splatting gaussiano 3D analisa essa camada de processamento com mais profundidade.

Os quatro principais factores de forma LiDAR

O LiDAR profissional divide-se em quatro categorias definidas pela forma como o scanner é utilizado. Cada uma é construída em torno de uma restrição operacional diferente, e a escolha da categoria decide normalmente 80% do produto que acaba por comprar.
 

• Digitalização portátil e baseada em SLAM: Um scanner de mochila ou de mão que utiliza algoritmos de localização e mapeamento simultâneos para seguir o movimento do próprio sensor através de uma cena sem posicionamento externo. Esta categoria é a que desbloqueia a exploração de interiores, o mapeamento de caves, a inspeção de minas e qualquer ambiente em que o GNSS não esteja disponível. A precisão é normalmente de 1 a 5 cm, dependendo da solução SLAM e da geometria do cenário, o que é diferente do TLS, mas adequado para os casos de utilização.
   
• Varrimento Laser Aerotransportado (ALS): Um scanner montado numa aeronave de asa fixa, helicóptero ou UAV, que olha para o terreno abaixo. O ALS é o instrumento de trabalho para a cartografia topográfica, silvicultura, modelação de cheias e levantamentos de corredores à escala da paisagem. O ALS transportado por UAV, em particular, reformulou o mercado de levantamentos de pequenas áreas nos últimos cinco anos, com sistemas que fornecem precisão vertical de 10 a 30 mm em altitudes de levantamento que um drone pode voar.
   
• Mobile Laser Scanning (MLS): Um scanner montado num veículo, comboio ou barco, integrado com um GNSS de alta precisão e um sistema de navegação inercial que georreferencia cada ponto. O MLS capta quilómetros de corredores (estradas, caminhos-de-ferro, linha costeira, oleodutos) numa única passagem à velocidade do veículo. O orçamento de precisão é mais apertado porque o sensor está em movimento, pelo que o desempenho do GNSS e da IMU define em grande medida a precisão alcançável da nuvem de pontos.
   
• Varrimento laser terrestre (TLS): Um scanner montado num tripé que capta nuvens de pontos densas a partir de uma posição fixa. O TLS é o fator de forma para levantamentos "as-built" de edifícios, fábricas e pontes, onde a precisão milimétrica e a cobertura completa de um cenário conhecido são mais importantes do que o rendimento. O alcance é tipicamente de 100 a 300 metros, com ruído sub-centímetro a curta distância. O utilizador desloca o tripé entre estações e regista as digitalizações em conjunto no pós-processamento.
   

Um comprador que esteja a analisar uma compra de LiDAR começa normalmente por escolher o fator de forma que corresponde à realidade operacional (montado num veículo? usado nas costas? voado? assente num tripé?) e, em seguida, reduz as especificações dentro dessa categoria.

Compensações de precisão, alcance e comprimento de onda

Três números dominam as comparações de produtos LiDAR: alcance, taxa de pontos e precisão. Estes não são independentes; um sistema que promove um deles normalmente compromete outro, e compreender as compensações é a diferença entre comprar a ferramenta correta e comprar um vencedor de referência que não se adequa ao trabalho.
 

O alcance é definido pela potência do laser, comprimento de onda e sensibilidade do detetor. Um sistema de 1550 nm pode funcionar com uma energia de impulso muito mais elevada do que um sistema de 905 nm, mantendo-se seguro para os olhos, o que se traduz num maior alcance. É por isso que o LiDAR aéreo de longo alcance é quase sempre de 1550 nm. A desvantagem é que a luz de 1550 nm é mais fortemente absorvida pela água do que a de 905 nm, pelo que o LiDAR batimétrico e de águas pouco profundas utiliza comprimentos de onda diferentes (normalmente 532 nm verde para penetração na água). Para o varrimento terrestre e móvel a distâncias mais curtas, o 905 nm domina porque é mais barato, mais compacto e o custo de alcance é aceitável.
 

A taxa de pontos define a densidade da nuvem e a velocidade a que um levantamento pode ser efectuado. Um sistema aerotransportado de 2 milhões de impulsos por segundo, voando a 100 m de altitude e a uma velocidade de 10 m/s no solo, fornece uma centena ou mais de pontos por metro quadrado, o que é suficiente para a maioria dos trabalhos topográficos e de corredores. Para aumentar a taxa de pontos, são necessários mais lasers, uma direção mais rápida do feixe, ou ambos, e cada um deles aumenta o custo e o peso. Para os UAV ALS, a troca de peso é difícil: um sensor mais pesado requer um drone mais pesado, o que limita o tempo de voo e a área de levantamento.
 

A precisão é a especificação principal, mas a mais dependente do contexto. Um LiDAR com uma precisão de alcance linear de 5 mm pode ainda produzir uma nuvem de pontos com uma precisão absoluta de 5 cm se a integração do GNSS e da IMU for fraca. O inverso também é verdadeiro: um ranger de precisão moderada emparelhado com um GNSS e INS fortes pode fornecer resultados de levantamento mais rigorosos do que a folha de especificações sugere. Especialmente no caso de digitalização móvel e aerotransportada, julgar um sistema apenas pela sua precisão de alcance não é o ideal. O que importa é o orçamento de precisão de ponta a ponta, e é aí que a pilha de navegação aparece.

Aplicações reais da tecnologia LiDAR

O LiDAR está agora integrado em fluxos de trabalho que não existiam há uma década. A amplitude dos casos de utilização é a razão pela qual a tecnologia se tornou um padrão e não uma especialidade.
 

• Cartografia topográfica e de corredores: O LiDAR aerotransportado cartografa bacias hidrográficas, corredores rodoviários e ferroviários e redes de linhas eléctricas à escala. Os algoritmos de filtragem do solo produzem modelos de terreno a céu aberto que alimentam a modelação de inundações, a conceção de infra-estruturas e a volumetria de engenharia.
   
• BIM, as-built e captura da realidade: Os scanners terrestres e baseados em SLAM geram a camada de geometria para modelos de informação de construção, projectos de reabilitação e gémeos digitais. As empresas de construção exigem cada vez mais a geometria as-built derivada do LiDAR como parte da entrega do projeto.
   
• Silvicultura e gestão de recursos naturais: O LiDAR aerotransportado de retorno múltiplo mede a altura da copa, a biomassa e a densidade do tronco em florestas inteiras. Os dados servem de base à contabilização do carbono, à modelação do risco de incêndio e ao planeamento da colheita.
   
• Veículos autónomos e robótica: O LiDAR de estado sólido fornece a camada de perceção para a condução autónoma, robôs de entrega de última milha e AGVs industriais, trabalhando em conjunto com câmaras e radares para detetar obstáculos em tempo real.
   
• Exploração mineira e subterrânea: O LiDAR portátil e baseado em SLAM mapeia redes de túneis, pilhas de stock e geometria de taludes onde o GNSS não está disponível. Os cálculos volumétricos das digitalizações LiDAR conduzem agora a reconciliação mensal em muitas operações.
   
• Património e arqueologia: O LiDAR terrestre documenta sítios arqueológicos e edifícios históricos com um detalhe sub-milimétrico; o LiDAR aéreo com processamento multi-retorno revelou cidades antigas inteiras sob a cobertura da selva.
   

Cada uma destas utilizações coloca uma ênfase diferente na precisão, no alcance e no fator de forma. O melhor sistema para um é raramente o melhor para outro.

Escolher o LiDAR certo para o seu fluxo de trabalho

Três perguntas irão limitar a maioria das decisões de compra de LiDAR antes de comparar quaisquer folhas de especificações. Em primeiro lugar, qual é o envelope de funcionamento: tripé, veículo, drone ou mochila? Isso responde ao fator de forma. Em segundo lugar, qual é a escala da cena: uma sala de 10 m, um corredor de 1 km, um local de 100 hectares? Isto responde ao alcance e à densidade de pontos. Em terceiro lugar, qual é a precisão a atingir: 5 mm para as-built, 30 mm para topo, 1 a 5 cm para SLAM em interiores? Isto responde à classe de sensores e à integração de navegação de que o sistema necessita.
 

Para além destes três aspectos, as decisões práticas de compra dividem-se entre o próprio sensor LiDAR e a plataforma integrada que o rodeia. Os sensores autónomos oferecem flexibilidade aos integradores de sistemas, mas requerem engenharia interna para sincronização, georreferenciação e software. As plataformas integradas (sensor mais GNSS, IMU, controlador e software de processamento num único produto) reduzem o tempo até à primeira nuvem de pontos útil e são normalmente a escolha certa para as equipas de topografia e engenharia que pretendem operar o sistema em vez de o construir.
 

A CHC Navigation desenvolve soluções LiDAR em três plataformas de hardware principais - sistemas aéreos para mapeamento UAV, plataformas de mapeamento móvel para aplicações em corredores e scanners SLAM de mão e de mochila - apoiadas por um fluxo de trabalho de software abrangente que converte nuvens de pontos em bruto em resultados prontos para o projeto. A gama completa de produtos de digitalização a laser 3D e de captura da realidade no site geoespacial permite ao comprador selecionar por aplicação e não por especificação de sensor, e a página da solução de mapeamento móvel 3D mostra como as camadas de sensor, navegação e software se juntam num fluxo de trabalho de produção.

O panorama geral

A tecnologia LiDAR passou de instrumento especializado a camada de medição padrão para qualquer projeto que necessite de geometria tridimensional à escala. A física não mudou, mas a engenharia em torno da física amadureceu ao ponto de o comprador já não ter de escolher entre precisão e rendimento, ou entre alcance e fator de forma, como fazia há uma década. O que resta é a questão mais útil: qual o fator de forma que corresponde ao trabalho, qual a classe de precisão que corresponde ao resultado e qual a pilha integrada que leva o projeto a uma nuvem de pontos utilizável mais rapidamente. Colocar estas três questões pela ordem correta é o que separa uma compra de LiDAR bem sucedida de um sensor que está numa prateleira.

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Sobre a CHC Navigation

A CHC Navigation (CHCNAV) desenvolve soluções avançadas de cartografia, navegação e posicionamento, concebidas para aumentar a produtividade e a eficiência. Servindo indústrias como a geoespacial, a agricultura, o controlo de máquinas e a autonomia, a CHCNAV fornece tecnologias inovadoras que capacitam os profissionais e impulsionam o avanço da indústria. Com uma presença global que abrange mais de 140 países e uma equipa de mais de 2.200 profissionais, a CHC Navigation é reconhecida como líder na indústria geoespacial e não só. Para mais informações sobre a CHC Navigation [Huace:300627.SZ], visite: https: //www.chcnav.com/about/overview