Escáner LiDAR: qué es, cómo funciona y tipos

Esta guía explica, en lenguaje claro, qué es un escáner LiDAR, la física que lo hace funcionar, las cuatro grandes familias del mercado, cómo se compara el sensor LiDAR de consumo de Apple con un escáner profesional, y qué hace usted en concreto con las nubes de puntos resultantes.

Qué es un escáner LiDAR: la definición técnica

El LiDAR es una tecnología de teledetección. La NOAA lo clasifica como un sensor "activo", por oposición a un sensor pasivo como una cámara fotográfica clásica: un sensor activo produce su propia señal (aquí, un impulso láser) en lugar de depender de la luz del sol. El instrumento emite un impulso de luz, el impulso rebota en una superficie y el receptor registra el retorno.

Como la luz se desplaza a una velocidad conocida, el tiempo de ida y vuelta da la distancia entre el sensor y la superficie. Repita esa medición cientos de miles de veces por segundo, mientras un espejo motorizado barre el láser sobre la escena, y cada medición se convierte en un punto (X, Y, Z) en el espacio. Apile los puntos y obtiene una nube de puntos: el registro 3D en bruto de un edificio, una cantera, una manzana urbana o un jarrón.

El escáner no sabe qué es un muro o un árbol. Solo sabe que un punto se encuentra en las coordenadas (X, Y, Z) y que la superficie en ese lugar ha devuelto el láser con una cierta intensidad. Si quiere la estructura de datos subyacente, la cubrimos en detalle en Qué es una nube de puntos: cada punto lleva coordenadas XYZ, a menudo un color (cuando el escáner tiene una cámara), a menudo un valor de intensidad, y en el LiDAR de exterior a menudo una clasificación (suelo, vegetación, edificio).

Cómo funciona un escáner LiDAR, paso a paso

Detrás de la sencilla fórmula del tiempo de vuelo, el flujo real de un escaneo implica siete etapas coordinadas, desde el diodo láser que emite el impulso hasta el formato de archivo en el que se registra la nube.

1. Emisión. Un diodo láser produce un impulso corto, normalmente en el infrarrojo cercano. Según Wikipedia, 600 a 1 000 nm son las longitudes de onda más comunes para las aplicaciones no científicas. Los sistemas batimétricos (que penetran el agua) utilizan un láser verde de 532 nm.
2. Orientación. Un espejo rotativo u oscilante, o un conjunto óptico más exótico (prismas de Risley en algunos modelos aéreos), orienta el impulso sobre la escena. Es lo que hace que el escáner "barra" en lugar de medir un solo punto.
3. Reflexión. El impulso rebota en una superficie y una fracción de la luz vuelve hacia el sensor.
4. Detección. Un fotodetector registra el retorno y un reloj mide el tiempo de ida y vuelta t.
5. Cálculo de distancia. El instrumento calcula d = c * t / 2. Los escáneres modernos hacen este cálculo en tiempo real, cientos de miles de veces por segundo.
6. Georreferenciación. En los modelos móviles y aéreos, un GPS/GNSS y una unidad de medición inercial (IMU) registran la posición y la orientación del escáner en cada medición, lo que permite transformar la distancia bruta en un punto XYZ absoluto en un sistema de coordenadas real.
7. Salida. El producto final es una nube de puntos, en un formato como E57, LAS, LAZ o un formato propietario (RCS / RCP de Autodesk Recap, LGSx de Leica Hexagon).

Tiempo de vuelo vs desfase

Existen dos métodos físicos para transformar un impulso láser en distancia. El tiempo de vuelo mide el tiempo absoluto que tarda el impulso en volver. El desfase emite un láser cuya intensidad se modula como una sinusoide y mide cuánto se desfasa la onda devuelta respecto a la onda emitida.

Las cuatro grandes familias de escáneres LiDAR

Wikipedia organiza los sistemas LiDAR según la plataforma que los transporta. La misma categorización se utiliza en el sector AEC y entre los topógrafos. Cada familia hace un compromiso distinto entre precisión, velocidad y cobertura.

1. Terrestre estática (TLS)

Un escáner montado sobre trípode, que usted coloca, nivela y deja girar 360 grados para capturar una estación. A continuación desplaza el trípode, captura otra estación y ensambla las estaciones en el posprocesado. Es el caballo de batalla del sector AEC y de los topógrafos porque ofrece la mejor precisión (Wikipedia señala que una precisión vertical inferior a 50 mm es alcanzable en las configuraciones de levantamiento).

• Marcas típicas: FARO, Leica (ecosistema Hexagon), Riegl, Trimble.
• Flujo de trabajo: estación sobre trípode, nivelación, barrido de 360 grados, desplazamiento, repetición, ensamblaje de las estaciones en el posprocesado.
• Punto fuerte: la mejor precisión de todas las familias LiDAR, certificable para la documentación as-built.
• Limitación: cada marca tiene su formato de archivo nativo, lo que vuelve penosos los flujos de trabajo multimarca sin una plataforma que los gestione de forma nativa.

2. Terrestre móvil

El escáner va montado sobre una plataforma que se desplaza: una mochila, un carro, un coche, un robot autónomo. Los algoritmos SLAM (localización y cartografía simultáneas) permiten al sistema saber dónde se encuentra en tiempo real, sin necesidad de estaciones sobre trípode. Usted intercambia algo de precisión por mucha velocidad y cobertura: una mochila SLAM escanea un edificio en una hora allí donde un escáner estático necesitaría una jornada. Marcas que encontrará: NavVis, Viametris, y de nuevo FARO y Leica, que también tienen gamas móviles.

3. LiDAR aéreo

El escáner va montado sobre un avión, un helicóptero o, cada vez con más frecuencia, un dron. La NOAA explica que el LiDAR aéreo dispara un láser hacia el suelo, la superficie devuelve el haz, y la combinación del GPS y de la unidad inercial a bordo transforma las mediciones en una nube de puntos topográfica.

• Modelos digitales del terreno (MDT / MDS) sobre grandes superficies.
• Inventarios forestales y estimación de biomasa bajo el dosel arbóreo.
• Levantamientos arqueológicos (el LiDAR ha revelado, en particular, ciudades mayas bajo la selva).
• Cartografía lineal para líneas eléctricas, carreteras y vías férreas.
• LiDAR UAV para los levantamientos de superficie media cuando un avión tripulado resulta sobredimensionado pero un trípode es demasiado lento.

4. LiDAR batimétrico

Una variante aérea especializada que utiliza un láser verde de 532 nm en lugar del infrarrojo cercano, porque la luz verde penetra en el agua. La NOAA la describe como la tecnología utilizada para cartografiar los fondos marinos y los lechos de los ríos. Wikipedia señala que el LiDAR batimétrico funciona entre unos 0,9 m y 40 m de profundidad, con una precisión vertical del orden de 15 cm. Es la única familia LiDAR que atraviesa la interfaz aire-agua; el LiDAR topográfico estándar es reflejado por completo por la superficie del agua y queda ciego por debajo.

¿Y el LiDAR de su iPhone Pro?

Apple integró un sensor LiDAR en el iPad Pro de 4.ª generación en marzo de 2020, después en el iPhone 12 Pro en octubre de 2020, y en cada iPad Pro e iPhone Pro desde entonces. Según la documentación de Apple resumida en Wikipedia, los usos declarados son la realidad aumentada y la asistencia al autofoco en fotografía, no el levantamiento profesional.

En concreto, el LiDAR del iPhone Pro es útil para capturar rápidamente una sala, un objeto o una escena pequeña con aplicaciones como Polycam, Scaniverse o 3D Scanner App. Las nubes de puntos que produce pueden ser un buen punto de partida para un presupuesto, un croquis, una impresión 3D, una vista previa de arquitectura. No sustituyen a un escáner certificado cuando necesita una precisión milimétrica homologada. Considere el LiDAR del smartphone como una herramienta del día a día, y el TLS FARO o Leica como un instrumento de medición profesional.

LiDAR vs fotogrametría vs radar

El LiDAR no es la única forma de producir una nube de puntos 3D. La fotogrametría triangula puntos 3D a partir de numerosas fotos que se solapan. El radar utiliza ondas de radio en lugar de luz. Cada tecnología tiene su terreno de predilección.

En la práctica, muchos proyectos profesionales combinan LiDAR y fotogrametría: fotogrametría con dron para el conjunto del emplazamiento en color, LiDAR terrestre para los edificios o las zonas que exigen una precisión certificada.

Qué hacen los profesionales con los datos LiDAR

Una vez que tiene una nube de puntos limpia, cada oficio tiene su propio flujo de trabajo de extracción. Estas son las aplicaciones profesionales más habituales, con enlaces internos cuando ATIS.cloud ya documenta el flujo de trabajo.

• Topógrafos: planos de lo existente, volúmenes de acopios y de movimientos de tierras, modelos digitales del terreno (MDT) y modelos digitales de superficie (MDS).
• AEC y BIM: escanear lo existente, comparar scan vs BIM (llamado "as-built"), alimentar los flujos de trabajo scan-to-BIM. Consulte también nuestra guía qué es una nube de puntos.
• Industria: documentar una instalación, seguir una deformación estructural entre dos escaneos, planificar modificaciones, formar a operarios en VR o en gemelo digital.
• Patrimonio y arqueología: archivar un monumento con precisión milimétrica, planificar una restauración, crear contenidos museísticos digitales. El LiDAR aéreo es conocido por haber revelado yacimientos arqueológicos ocultos bajo la vegetación.
• Infraestructura: inspección de puentes y estructuras, análisis de pavimento, verificación de gálibo ferroviario, monitorización de túneles.
• Bosque y agricultura: estimación de biomasa forestal mediante LiDAR aéreo, recuento de plantas, análisis del terreno bajo el dosel arbóreo.
• Automoción: el LiDAR es uno de los sensores utilizados en las cadenas de conducción autónoma o semiautónoma, junto a las cámaras y el radar.

Los archivos que produce un escáner LiDAR

Un escáner LiDAR genera una nube de puntos, y el formato de archivo depende de la marca del escáner y del software posterior.

• E57: estándar ASTM abierto (E2807), el formato de intercambio dominante, compatible con prácticamente todos los escáneres y aplicaciones 3D.
• LAS / LAZ: estándares ASPRS abiertos. LAZ es un LAS comprimido. Formatos de referencia para el LiDAR de exterior y aéreo.
• RCS / RCP: formatos nativos de Autodesk Recap, muy usados en AEC.
• LGSx: formato propietario de Leica Hexagon.
• Legacy: PLY, OBJ, PCD, PTS, XYZ todavía presentes en la investigación o en los flujos de trabajo heredados.

ATIS.cloud lee E57, LAS, LAZ, RCS, RCP y LGSx en todos los planes. El soporte de RCS y RCP es nativo, sin necesidad de licencia de Autodesk, algo poco común en el mercado. Cubrimos el formato Leica en detalle en nuestra guía LGSx específica.

Cómo visualizar y compartir un escaneo LiDAR

Una vez que el escáner ha escrito su archivo, las dos preguntas prácticas son: qué tamaño tiene y quién debe verlo. Un E57 pequeño de una sola sala cabe en una llave USB. Un levantamiento LiDAR con dron de una cantera puede alcanzar cientos de GB. Una planta industrial entera capturada estación por estación puede superar el terabyte.

Para el trabajo de escritorio sobre archivos pequeños o medianos, CloudCompare (código abierto) y Autodesk Recap (comercial) son los sospechosos habituales. Para los archivos grandes o el uso compartido externo, el cliente abre un enlace, mira el escaneo, mide, comenta y le devuelve una captura anotada. Sin transferencia de 4 GB por WeTransfer, sin correo de "primero hay que instalar este software".

ATIS.cloud es la plataforma que construimos exactamente para este caso de uso: una aplicación 3D en el navegador que gestiona escaneos de hasta 1 TB por archivo (5 TB de espacio de trabajo total), lee de forma nativa todos los fabricantes de escáneres del mercado (FARO, Leica, NavVis, Riegl, Trimble, Viametris, Matterport, etc.), admite los formatos E57, LAS, LAZ, RCS, RCP y LGSx, con uso compartido por enlace seguro, alojamiento soberano en 22+ países, y una prueba gratis de 14 días sin tarjeta bancaria.

Una breve historia del LiDAR

El LiDAR es más antiguo de lo que se cree. Wikipedia remonta el primer sistema "lidar-like" a Hughes Aircraft Company en 1961, con el telémetro Colidar Mark II construido en 1963.

• 1961: primer sistema lidar-like en Hughes Aircraft Company.
• 1963: telémetro Colidar Mark II.
• 1971: los astronautas del Apollo 15 utilizan un altímetro láser para cartografiar la Luna.
• Años 1990-2000: el LiDAR aéreo madura para la topografía civil.
• Años 2000: el escaneo láser terrestre se generaliza en el sector AEC y entre los topógrafos.
• Marzo de 2020: Apple integra el LiDAR en el iPad Pro de 4.ª generación, después en el iPhone 12 Pro en octubre de 2020.

Hoy, la misma física hace funcionar un equipo aéreo pesado y el sensor de su teléfono.