Scanner LiDAR: guia completo (como funciona, tipos)

Este guia explica, em linguagem clara, o que é um scanner LiDAR, a física que o faz funcionar, as quatro grandes famílias do mercado, como o sensor LiDAR de consumo da Apple se compara a um scanner profissional, e o que você faz concretamente com as nuvens de pontos resultantes.

Scanner LiDAR: a definição técnica

O LiDAR é uma tecnologia de sensoriamento remoto. A NOAA o classifica como um sensor "ativo", em oposição a um sensor passivo como uma câmera fotográfica clássica: um sensor ativo produz o próprio sinal (aqui, um pulso de laser) em vez de depender da luz do sol. O instrumento emite um pulso de luz, o pulso ricocheteia em uma superfície e o receptor registra o retorno.

Como a luz se desloca a uma velocidade conhecida, o tempo de ida e volta dá a distância entre o sensor e a superfície. Repita essa medição centenas de milhares de vezes por segundo, enquanto um espelho motorizado varre o laser sobre a cena, e cada medição se torna um ponto (X, Y, Z) no espaço. Empilhe os pontos e você obtém uma nuvem de pontos: o registro 3D bruto de uma edificação, uma pedreira, um quarteirão ou um vaso.

O scanner não sabe o que é uma parede ou uma árvore. Ele só sabe que um ponto está nas coordenadas (X, Y, Z) e que a superfície naquele lugar devolveu o laser com uma certa intensidade. Se você quiser a estrutura de dados subjacente, nós a detalhamos em O que é uma nuvem de pontos: cada ponto carrega coordenadas XYZ, muitas vezes uma cor (quando o scanner tem uma câmera), muitas vezes um valor de intensidade, e no LiDAR externo muitas vezes uma classificação (solo, vegetação, edificação).

Como um scanner LiDAR funciona, passo a passo

Por trás da simples fórmula do tempo de voo, o fluxo real de um escaneamento envolve sete etapas coordenadas, desde o diodo de laser que emite o pulso até o formato de arquivo em que a nuvem é registrada.

1. Emissão. Um diodo de laser produz um pulso curto, normalmente no infravermelho próximo. Segundo a Wikipedia, 600 a 1 000 nm são os comprimentos de onda mais comuns para as aplicações não científicas. Os sistemas batimétricos (que penetram a água) utilizam um laser verde de 532 nm.
2. Direcionamento. Um espelho rotativo ou oscilante, ou um conjunto óptico mais exótico (prismas de Risley em alguns modelos aéreos), direciona o pulso sobre a cena. É o que faz com que o scanner "varra" em vez de medir um único ponto.
3. Reflexão. O pulso ricocheteia em uma superfície e uma fração da luz volta em direção ao sensor.
4. Detecção. Um fotodetector registra o retorno e um relógio mede o tempo de ida e volta t.
5. Cálculo de distância. O instrumento calcula d = c * t / 2. Os scanners modernos fazem esse cálculo em tempo real, centenas de milhares de vezes por segundo.
6. Georreferenciamento. Nos modelos móveis e aéreos, um GPS/GNSS e uma unidade de medição inercial (IMU) registram a posição e a orientação do scanner em cada medição, o que permite transformar a distância bruta em um ponto XYZ absoluto em um sistema de coordenadas real.
7. Saída. O produto final é uma nuvem de pontos, em um formato como E57, LAS, LAZ ou um formato proprietário (RCS / RCP do Autodesk Recap, LGSx da Leica Hexagon).

Tempo de voo vs desvio de fase

Existem dois métodos físicos para transformar um pulso de laser em distância. O tempo de voo mede o tempo absoluto que o pulso leva para voltar. O desvio de fase emite um laser cuja intensidade é modulada como uma senoide e mede quanto a onda devolvida está defasada em relação à onda emitida.

As quatro grandes famílias de scanners LiDAR

A Wikipedia organiza os sistemas LiDAR conforme a plataforma que os transporta. A mesma categorização é usada no setor AEC e entre os topógrafos. Cada família faz um compromisso diferente entre precisão, velocidade e cobertura.

1. Terrestre estático (TLS)

Um scanner montado sobre tripé, que você posiciona, nivela e deixa girar 360 graus para capturar uma estação. Em seguida você desloca o tripé, captura outra estação e une as estações no pós-processamento. É a ferramenta de referência do setor AEC e dos topógrafos porque oferece a melhor precisão (a Wikipedia observa que uma precisão vertical inferior a 50 mm é alcançável nas configurações de levantamento).

• Marcas típicas: FARO, Leica (ecossistema Hexagon), Riegl, Trimble.
• Fluxo de trabalho: estação sobre tripé, nivelamento, varredura de 360 graus, deslocamento, repetição, união das estações no pós-processamento.
• Ponto forte: a melhor precisão de todas as famílias LiDAR, certificável para a documentação as-built.
• Limitação: cada marca tem seu formato de arquivo nativo, o que torna penosos os fluxos de trabalho multimarca sem uma plataforma que os gerencie de forma nativa.

2. Terrestre móvel

O scanner é montado sobre uma plataforma que se desloca: uma mochila, um carrinho, um carro, um robô autônomo. Os algoritmos SLAM (localização e mapeamento simultâneos) permitem ao sistema saber onde está em tempo real, sem precisar de estações sobre tripé. Você troca um pouco de precisão por muita velocidade e cobertura: uma mochila SLAM escaneia uma edificação em uma hora ali onde um scanner estático precisaria de um dia inteiro. Marcas que você vai encontrar: NavVis, Viametris, e, de novo, FARO e Leica, que também têm linhas móveis.

3. LiDAR aéreo

O scanner é montado sobre um avião, um helicóptero ou, cada vez com mais frequência, um drone. A NOAA explica que o LiDAR aéreo dispara um laser em direção ao solo, a superfície devolve o feixe, e a combinação do GPS e da unidade inercial a bordo transforma as medições em uma nuvem de pontos topográfica.

• Modelos digitais de terreno (MDT / MDS) sobre grandes áreas.
• Inventários florestais e estimativa de biomassa sob o dossel.
• Levantamentos arqueológicos (o LiDAR revelou, em particular, cidades maias sob a floresta).
• Mapeamento linear para linhas elétricas, rodovias e ferrovias.
• LiDAR UAV para os levantamentos de área média quando um avião tripulado é exagerado mas um tripé é lento demais.

4. LiDAR batimétrico

Uma variante aérea especializada que utiliza um laser verde de 532 nm em vez do infravermelho próximo, porque a luz verde penetra na água. A NOAA a descreve como a tecnologia usada para mapear os fundos marinhos e os leitos dos rios. A Wikipedia observa que o LiDAR batimétrico funciona entre cerca de 0,9 m e 40 m de profundidade, com uma precisão vertical da ordem de 15 cm. É a única família LiDAR que atravessa a interface ar-água; o LiDAR topográfico padrão é totalmente refletido pela superfície da água e fica cego abaixo dela.

E o LiDAR do seu iPhone Pro?

A Apple integrou um sensor LiDAR no iPad Pro de 4.ª geração em março de 2020, depois no iPhone 12 Pro em outubro de 2020, e em cada iPad Pro e iPhone Pro desde então. Segundo a documentação da Apple resumida na Wikipedia, os usos declarados são a realidade aumentada e a assistência ao autofoco em fotografia, não o levantamento profissional.

Na prática, o LiDAR do iPhone Pro é útil para capturar rapidamente um cômodo, um objeto ou uma cena pequena com aplicativos como Polycam, Scaniverse ou 3D Scanner App. As nuvens de pontos que ele produz podem ser um bom ponto de partida para um orçamento, um esboço, uma impressão 3D, uma prévia de arquitetura. Elas não substituem um scanner certificado quando você precisa de uma precisão milimétrica homologada. Considere o LiDAR do celular como uma ferramenta do dia a dia, e o TLS FARO ou Leica como um instrumento de medição profissional.

LiDAR vs fotogrametria vs radar

O LiDAR não é a única forma de produzir uma nuvem de pontos 3D. A fotogrametria triangula pontos 3D a partir de inúmeras fotos que se sobrepõem. O radar utiliza ondas de rádio em vez de luz. Cada tecnologia tem o seu ponto forte.

Na prática, muitos projetos profissionais combinam LiDAR e fotogrametria: fotogrametria com drone para o conjunto do terreno colorido, LiDAR terrestre para as edificações ou as zonas que exigem uma precisão certificada.

O que os profissionais fazem com os dados LiDAR

Uma vez que você tem uma nuvem de pontos limpa, cada ofício tem o próprio fluxo de trabalho de extração. Estas são as aplicações profissionais mais comuns, com links internos quando o ATIS.cloud já documenta o fluxo de trabalho.

• Topógrafos: plantas do existente, volumes de pilhas de material e de terraplenagem, modelos digitais de terreno (MDT) e modelos digitais de superfície (MDS).
• AEC e BIM: escanear o existente, comparar scan vs BIM (chamado "as-built"), alimentar os fluxos de trabalho scan-to-BIM. Consulte também o nosso guia o que é uma nuvem de pontos.
• Indústria: documentar uma instalação, acompanhar uma deformação estrutural entre dois escaneamentos, planejar modificações, treinar operadores em VR ou em gêmeo digital.
• Patrimônio e arqueologia: arquivar um monumento com precisão milimétrica, planejar uma restauração, criar conteúdos de museu digitais. O LiDAR aéreo é conhecido por ter revelado sítios arqueológicos ocultos sob a vegetação.
• Infraestrutura: inspeção de obras de arte, análise de pavimento, verificação de gabarito ferroviário, monitoramento de túneis.
• Floresta e agricultura: estimativa de biomassa florestal por LiDAR aéreo, contagem de plantas, análise de terreno sob o dossel.
• Automotivo: o LiDAR é um dos sensores usados nos sistemas de condução autônoma ou semiautônoma, ao lado das câmeras e do radar.

Os arquivos que um scanner LiDAR produz

Um scanner LiDAR gera uma nuvem de pontos, e o formato de arquivo depende da marca do scanner e do software posterior.

• E57: padrão ASTM aberto (E2807), o formato de intercâmbio dominante, compatível com praticamente todos os scanners e aplicativos 3D.
• LAS / LAZ: padrões ASPRS abertos. LAZ é um LAS comprimido. Formatos de referência para o LiDAR de exterior e aéreo.
• RCS / RCP: formatos nativos do Autodesk Recap, muito usados em AEC.
• LGSx: formato proprietário da Leica Hexagon.
• Legacy: PLY, OBJ, PCD, PTS, XYZ ainda presentes na pesquisa ou nos fluxos de trabalho legados.

O ATIS.cloud lê E57, LAS, LAZ, RCS, RCP e LGSx em todos os planos. O suporte a RCS e RCP é nativo, sem necessidade de licença da Autodesk, algo pouco comum no mercado. Detalhamos o formato Leica no nosso guia LGSx dedicado.

Como visualizar e compartilhar um escaneamento LiDAR

Uma vez que o scanner escreveu o seu arquivo, as duas perguntas práticas são: qual o tamanho dele e quem precisa vê-lo. Um E57 pequeno de um único cômodo cabe em um pen drive. Um levantamento LiDAR com drone de uma pedreira pode chegar a centenas de GB. Uma planta industrial inteira capturada estação por estação pode ultrapassar o terabyte.

Para o trabalho de desktop em arquivos pequenos ou médios, o CloudCompare (código aberto) e o Autodesk Recap (comercial) são os suspeitos de sempre. Para os arquivos grandes ou o compartilhamento externo, o cliente abre um link, olha o escaneamento, mede, comenta e lhe devolve uma captura anotada. Sem transferência de 4 GB por WeTransfer, sem e-mail de "primeiro é preciso instalar este software".

O ATIS.cloud é a plataforma que construímos exatamente para este caso de uso: um aplicativo 3D no navegador que gerencia escaneamentos de até 1 TB por arquivo (5 TB de espaço de trabalho total), lê de forma nativa todos os fabricantes de scanners do mercado (FARO, Leica, NavVis, Riegl, Trimble, Viametris, Matterport, etc.), suporta os formatos E57, LAS, LAZ, RCS, RCP e LGSx, com compartilhamento por link seguro, hospedagem soberana em 22+ países, e um teste gratuito de 14 dias sem cartão de crédito.

Uma breve história do LiDAR

O LiDAR é mais antigo do que se imagina. A Wikipedia remonta o primeiro sistema "lidar-like" à Hughes Aircraft Company em 1961, com o telêmetro Colidar Mark II construído em 1963.

• 1961: primeiro sistema lidar-like na Hughes Aircraft Company.
• 1963: telêmetro Colidar Mark II.
• 1971: os astronautas da Apollo 15 utilizam um altímetro laser para mapear a Lua.
• Anos 1990-2000: o LiDAR aéreo amadurece para a topografia civil.
• Anos 2000: o escaneamento laser terrestre se torna mainstream no setor AEC e entre os topógrafos.
• Março de 2020: a Apple integra o LiDAR no iPad Pro de 4.ª geração, depois no iPhone 12 Pro em outubro de 2020.

Hoje, a mesma física faz funcionar um equipamento aéreo pesado e o sensor do seu celular.