Aplicativos
Topografia
Na topografia, a medição de distâncias a laser para aplicações de mapeamento em grande escala está revolucionando a coleta digital de dados de elevação. Esta técnica é uma alternativa a outras fontes de coleta de dados, como o Modelo Digital de Terreno (MDT). Pode ser usado como fonte de dados para processos de contorno e geração de contorno para ortofotos digitais.
Um sistema lidar emite pulsos de luz que são refletidos pelo terreno e outros objetos de uma certa altura. Os fótons dos pulsos refletidos são transformados em impulsos elétricos e interpretados por um gravador de dados de alta velocidade. Como a fórmula da velocidade da luz é bem conhecida, os intervalos de tempo entre a emissão e a recepção podem ser facilmente calculados. Esses intervalos são transformados em distância auxiliados pelas informações posicionais obtidas dos receptores GPS da aeronave/terreno e da unidade de medição inercial (IMU) de bordo, que registra constantemente a altitude da aeronave.
Os sistemas Lidar registram dados de posição (x, y) e elevação (z) em intervalos predefinidos. Os dados resultantes dão origem a uma rede muito densa de pontos, normalmente em intervalos de 1 a 3 metros. Os sistemas mais sofisticados fornecem dados não só do primeiro retorno, mas também dos retornos subsequentes, que fornecem alturas tanto do terreno como da sua vegetação. As alturas da vegetação podem fornecer a base inicial para analisar aplicações de diferentes tipos de vegetação ou separação de alturas.
Uma vantagem significativa desta tecnologia, sobre outras, é que os dados podem ser adquiridos em condições atmosféricas onde a fotografia aérea convencional não pode. Por exemplo, a recolha de dados pode ser feita a partir de um avião durante um voo noturno ou em condições de visibilidade reduzida, como as que ocorrem em tempo nublado ou com nevoeiro.
Os produtos fotogramétricos padrão derivados de dados lidar incluem modelos de contorno e elevação para ortofotos. Para obter contornos precisos, é necessário o pós-processamento dos dados iniciais. Como os dados lidar são obtidos em objetos elevados (por exemplo, edifícios), algoritmos sofisticados são usados para remover pontos relativos a esses objetos. Devido à alta densidade de pontos, poucas ou nenhumas linhas obrigatórias são necessárias para representar o terreno com precisão. No entanto, a presença do sistema lidar e o uso de software de pós-processamento, procedimentos de validação devem ser incorporados ao processo para garantir que os contornos finais sejam representativos do terreno. O usuário final também deve considerar que os contornos derivados do lidar terão uma aparência diferente daqueles compilados usando técnicas fotogramétricas convencionais. Devido à densidade de pontos obtida, os contornos derivados do lidar, embora altamente precisos, tenderão a ter uma aparência mais quebrada.
O pós-processamento e a verificação 3D também são recomendados ao usar dados lidar para gerar ortofotos digitais. Embora os requisitos de precisão vertical para gerar uma ortofoto sejam menos rigorosos do que para a geração de contornos, os dados devem ser verificados quanto a erros em massa. Os pontos nos edifícios não precisam necessariamente ser removidos. Na verdade, os edifícios modelados com dados lidar serão "retificados" em sua posição real (ortofoto verdadeira) e as distorções radiais causadas pela inclinação dos edifícios serão eliminadas. Esta melhoria é um pouco afectada pelo facto de as arestas dos edifícios poderem tender a parecer arredondadas; isto depende da localização dos pontos em relação à borda do edifício.
Com o pós-processamento, os seguintes dados podem ser obtidos:.
• - Extração do nível do solo.
• - Extracção de edifícios.
• - Extração de árvores e massas florestais.
• - Ferramentas de purificação de terreno.
• - Criação de vetores tridimensionais.
• - Ferramenta de esquadria de edifícios.
• - Ferramenta de edição.
• - Recortar imagens.
A precisão dos dados obtidos pela técnica lidar depende de:
• - Taxa de pulso.
• - A altura do voo.
• - O diâmetro do feixe laser (dependendo do sistema).
• - A qualidade dos dados GPS/IMU e dos procedimentos de pós-processamento.
Uma precisão de 1 metro nas coordenadas de posição e cerca de 15 cm na coordenada de altura pode ser alcançada, se as condições sob as quais as medições são realizadas forem ótimas. Porém, para qualquer aplicação em larga escala que exija alta precisão, os dados obtidos terão que ser comparados com outras técnicas. Normalmente os pontos obtidos (com suas coordenadas tridimensionais) são sobrepostos às imagens digitais. Para conseguir isso, são utilizadas estações fotogramétricas digitais.
A maioria dos sistemas e aplicativos lidar funcionam com o mesmo formato, o formato LAS, cuja especificação foi desenvolvida pela Sociedade Americana de Fotogrametria e Sensoriamento Remoto (ASPRS), e que se tornou um padrão de fato para trabalhar com dados lidar.
LAS é um formato de arquivo público que permite a troca de arquivos contendo informações tridimensionais de nuvens de pontos. O formato LAS é um arquivo binário que mantém todas as informações do sistema lidar e as preserva de acordo com a natureza dos dados e do sistema de captura.
[2].
Detecção de velocidade
É a tecnologia usada pelas armas laser da polícia para determinar a velocidade dos veículos que trafegam no trânsito rodoviário. Difere do radar porque, em vez de utilizar ondas de rádio, é utilizado um feixe de luz laser pulsante na faixa infravermelha, cuja frequência de pulsação é de 33 MHz e cujo comprimento de onda é de 904 nm.
As vantagens do lidar sobre o radar são várias:
• - É muito mais rápido. Em circunstâncias normais pode obter a velocidade do veículo em apenas 3 décimos de segundo.
• - Por emitir um feixe de luz laser, o feixe não diverge tanto e é muito mais estreito que o do radar, que se dispersa e rebate no ambiente. O feixe de laser forma um cone muito estreito. Com cerca de 500 metros ele tem uma largura de aproximadamente 2,5 metros de diâmetro, então você pode apontar a arma para um veículo específico e determinar sua velocidade mesmo que haja mais carros circulando ao seu redor. Pode, portanto, ser utilizado em trânsito intenso, visando os veículos escolhidos. Além disso, devido a esta forma de trabalhar e à sua velocidade, a detecção por meio de detectores instalados em veículos iluminados pelo feixe é bastante ineficaz, pois quando o detector alerta da presença do laser já é tarde demais, pois a arma já registrou sua velocidade.
• - É mais fácil de manusear, transportar e manter.
• - É mais econômico que um radar.
• - Pode funcionar, como radar, à noite, na chuva, em pontes, em veículos estacionados, em modo automático ou manual, etc.
• - A única limitação do laser lidar é que ele sempre precisa estar estático. O radar pode ser usado durante o movimento, mas o laser lidar não pode se mover durante a medição.
óptica adaptativa
A óptica adaptativa é uma técnica que permite corrigir as perturbações mais importantes que as imagens astronômicas sofrem devido à atmosfera terrestre. Com este sistema é possível obter imagens mais nítidas, ou como explicam os astrônomos, melhor resolução espacial. A diferença introduzida por esta técnica é comparável àquela entre olhar para um objeto localizado no fundo de uma piscina com ou sem água.
Da sua importância para a investigação astronómica fala o facto de todos os telescópios ou observatórios com telescópios maiores que 4 metros terem desenvolvido ou estarem a desenvolver sistemas de óptica adaptativa adequados às suas necessidades.
As possibilidades que a óptica adaptativa oferece à astronomia são espetaculares. Eliminar as perturbações produzidas pela atmosfera equivale essencialmente a observar do espaço.
Distúrbios atmosféricos causam perda de nitidez ou resolução espacial. Esta perda traduz-se, por um lado, numa diminuição da capacidade de resolução de objectos, ou seja, de realização de estudos detalhados da sua morfologia. Por outro lado, também influencia a capacidade de detecção de objetos fracos, uma vez que a imagem é dispersa em pontos de luz maiores.
A melhoria introduzida pela óptica adaptativa pode ser quantificada através da relação entre o tamanho do telescópio e o tamanho da melhor imagem que pode obter. O poder de detecção de um telescópio aumenta com o diâmetro do seu espelho primário e diminui com o tamanho da imagem que forma de um objeto pontual (daí a importância da qualidade da imagem em um telescópio). Portanto, a diferença com o mesmo espelho de 10 metros, entre conseguir focar imagens de 0,4 segundos de arco (possível numa noite de excelente visibilidade) e uma imagem de 0,04 segundos de arco, o que deveria ser possível com um sistema de óptica adaptativa, seria equivalente a ter um espelho primário de 100 metros. Assim, como dissemos no início, a maioria dos observatórios e telescópios importantes já possuem o seu próprio sistema de óptica adaptativa ou estão trabalhando nele.
A óptica adaptativa é uma tecnologia que nos permite determinar e corrigir grande parte das aberrações com que chega a frente de onda dos objetos observados. A frente de onda é o envelope geométrico de todos os raios de luz que saem ao mesmo tempo de um objeto luminoso. Quando a origem da luz é um ponto, a frente da onda é esférica; mas se estiver suficientemente longe, como no caso das estrelas, essa frente é praticamente plana.
Num sistema de óptica adaptativa, a frente de onda, perturbada pela atmosfera, é primeiro analisada por um sensor de frente de onda, que determina as suas aberrações. Esta informação é passada ao reconstrutor de fase"), que calcula as correções que devem ser feitas e as deformações que o espelho deformável deve adotar para compensar as aberrações originais da frente de onda.
Com a “detecção” da frente de onda, o objetivo é medir as aberrações introduzidas pela coluna atmosférica por onde passa a luz do objeto astronômico. Normalmente, os objetos a serem estudados são muito fracos, portanto a medição das perturbações da frente de onda deve ser realizada com uma estrela brilhante próxima ao objeto de interesse para que a luz desta estrela de referência passe aproximadamente pela mesma coluna de atmosfera que o objeto. No entanto, nem sempre é possível encontrar estrelas suficientemente próximas do objeto astronómico de interesse e suficientemente brilhantes para serem utilizadas na medição da frente de onda.
Manejo florestal
No combate a incêndios, a disponibilidade de um modelo preciso do tipo de combustível presente em cada ponto do terreno é essencial para poder prever com precisão o comportamento do incêndio e assim poder tomar decisões sobre as técnicas de ataque a utilizar ou os recursos necessários para combater o incêndio.[3].
Graças ao lidar, é possível gerar um mapa preciso dos padrões de combustível com base nas informações verticais capturadas pelas medições lidar. Além disso, é possível melhorar ainda mais a precisão combinando os dados capturados pelo lidar com dados obtidos por outros meios, como imagens multiespectrais.[4].
Levando em consideração os valores de altura fornecidos pelo lidar e a distribuição vertical dos combustíveis, captados pela posição relativa em diferentes intervalos de altura de grupos de medições dentro da nuvem de pontos, é possível determinar tanto a quantidade de biomassa presente quanto seu tipo.[5].
Geologia e ciência do solo
O surgimento da tecnologia lidar representou um grande avanço no estudo da Terra. Graças aos modelos digitais de elevação de alta resolução obtidos através desta técnica, permite a sua aplicação em diversos campos da geologia.
A possibilidade de obtenção de modelos detalhados de estruturas topográficas: canais de rios, terraços, entre outros, tem promovido e facilitado o estudo dos processos físicos e químicos da superfície terrestre; interferência de agentes atmosféricos, caracterização e gênese de formas de relevo, processos de erosão e intemperismo….
Esta técnica conseguiu se tornar uma ferramenta líder para detectar falhas, monitorá-las e estudá-las. Com modelos digitais 3D, permite-nos obter o antes e o depois do movimento de uma placa, podendo fazer medições precisas, fundamentais para compreender como ocorrem estes fenómenos naturais.
Entre outras aplicações geológicas, vale destacar o monitoramento de geleiras (para avaliar o recuo das geleiras e sua relação com alterações no ciclo hidrológico), análise de alterações costeiras, movimentação de placas tectônicas, erupções vulcânicas, deslizamentos de terra...
mecânica das rochas
O Lidar é amplamente utilizado em mecânica das rochas para a caracterização de maciços rochosos e a detecção de mudanças em taludes. Algumas das propriedades do maciço rochoso que podem ser extraídas de nuvens de pontos 3-D adquiridas usando LiDAR são:
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- Orientação das descontinuidades[6][7][8].
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- Espaçamento de descontinuidades e RQD[9][10].
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- Abertura de descontinuidades.
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- Persistência de descontinuidades[10][11].
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- Rugosidade das descontinuidades[10].
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Algumas dessas propriedades têm sido utilizadas na caracterização de maciços rochosos através do RMR. Além disso, como a orientação das descontinuidades pode ser determinada a partir de dados LiDAR, também é possível obter a qualidade geomecânica de taludes rochosos utilizando SMR. Finalmente, a comparação de diferentes nuvens de pontos 3D de uma encosta adquiridas em momentos diferentes permite aos pesquisadores estudar as mudanças produzidas na cena durante o intervalo de tempo estudado devido ao desenvolvimento de quedas de rochas ou outros processos gravitacionais.
Outras aplicações
Na física atmosférica, através do uso de instrumentos lidar é possível medir densidades de certos constituintes da atmosfera (aerossóis, nuvens, potássio, sódio, oxigênio e nitrogênio molecular, etc.). Com a mais avançada tecnologia é possível calcular perfis de temperatura ou medir a estrutura do vento.
À medida que os fabricantes de automóveis e os intervenientes na tecnologia lutam para desenvolver veículos autónomos, o lidar tornou-se uma tecnologia muito procurada.[12] A desvantagem destes sensores é o seu preço (podem custar dezenas de milhares de dólares). Novos desenvolvimentos visam ter um sensor lidar em um chip menor que um grão de arroz. Este desenvolvimento não busca substituir os sensores atuais, mas sim coexistir com eles, pois enquanto um sensor lidar fornece precisão de longo alcance, os lidars de estado sólido seriam para detecção em distâncias curtas, com foco em detalhes que às vezes passam despercebidos.