LIDAR: Avances y Desafíos

Un Informe del Foro Internacional de Mapeo Lidar

El espacio en el Foro Internacional de Mapeo Lidar de este año (ILMF), conferencia en Denver proporciona pruebas del estado de la tecnología como una técnica del trazado de un mapa tridimensional que sigue creciendo en popularidad. El acontecimiento de dos días, 21 y 22 de febrero, incluye talleres para principiantes y presentaciones avanzadas que detallan muchas de las ventajas técnicas y desafíos asociados con la Light Detection and Ranging (Lidar).

La asistencia a la conferencia de este año (más del doble de asistentes que la del 2007) va en crecimiento con respecto a años anteriores y a la variedad de actores que contribuyen al arte Lidar. Ya es su génesis a mediados de los años 1990, Lidar ha avanzado a una distancia respetable más allá de la producción de hardware. Los roles de afiliado ahora incluyen al operador del sistema, soporte del vendedor de servicios y los patrocinadores del gobierno.

El modelado tridimensional se ha dirigido hacia diferentes aplicaciones como arqueología, geografía, geología, geomorfología, sismología, sensores remotos y física atmosférica. El sistema Lidar aun deja un trabajo tecnológico en curso. El radar, es caracterizado por particularidades técnicas que han tenido un impacto sobre su curva de adopción. Pulsos ultravioletas, visibles o infrarrojo cercano son ágiles nanómetros vislumbrados en un segundo, cualquier software de manejo debe ser capaz de cuantificarlo dentro de aquellos parámetros.

En muchos escenarios, Lidar sigue sirviendo por su gran capacidad para alternar técnicas de imágenes, más bien toma la delantera en su papel. Algunos motivos para este rol tienen que ver con las fuerzas del mercado y las exigencias de proyectos individuales. Los otros tienen que ver con la tecnología.

Young James Wilder, gerente Lidar para Sanborn Map Company de Colorado Springs, menciona que es una industria que se ha desarrollado considerablemente desde su estreno comercial, con un número de parámetros de definición que se mejoran por las órdenes de magnitud.

Por ejemplo, los sistemas que una vez rondaron a lo largo de unos pobres 5 a 10 Khz ahora funcionan en la gama de 150 a 300 Khz. Otro desarrollo ha sido el advenimiento de Lidar multi-pulso, que efectivamente termina con uno y dos configuraciones de pulsos. También, la naturaleza de los datos Lidar con millones de los puntos de elevación de ligeros pulsos que requieren el formateo, importación y tratamiento – esto ya no es un gran problema para aquellos softwares disponibles que son diseñados para administrar las vistas de textura urbana y rural.

A pesar de estos avances, Lidar tiene sus límites. Young señalo que la categoría de opciones como interferometria de abertura sintética de radar están mejor adaptados para determinados proyectos. Y en un plano más general, Lidar sufre el mismo tipo de brecha tecnológica que afecta a otras industrias de alta tecnología, debido al hecho de que los programas codificados trabajan con hardware avanzado, LiDAR en general falla al optimizar el potencial de dispositivos de circuitos eléctricos. Young mostró una diapositiva que afirma que el mercado de LiDAR “esta creciendo en todo el mundo, pero el manejo de softwares para LiDAR no”, e identificó tres dimensiones urbanas en el modelado, clasificación automática y cartografía de vegetación como los mercados en los que esto es especialmente problemático.

En una entrevista, Young explicó que la calidad física de la luz difusa y sus valores de retorno cuando es enfrentada a diferentes superficies reflectantes presenta enormes desafíos para los usuarios Lidar.

Clasificar una costa con una progresiva inclinación matemática requiere de un modelo diferente del utilizado en la clasificación de una ribera con un grado marcado. Buscan diferentes combinaciones para la búsqueda de agua corriente. La clasificación de aguas requiere de un algoritmo diferente para el agua de color.

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Figuras 1A y 1B – Imágenes Lidar de Sanborn recolectados por el cliente AMBAG (Asociación de Área de la Bahía de Monterey) en California, que muestra la costa occidental del litoral con elevaciones Lidar, la figura 1B añade contornos.

“Para definir un río y tierra es extremadamente difícil debido a la función de la cantidad de puntos que afectó al río. Donde quiera que haya ríos, árboles y vegetación. Así que es aún más difícil de obtener a través de la vegetación. En términos de agua, Lidar opera a 1054 nanómetros en el espectro de luz… y dadas las características de la forma en que regresa fuera del agua… ningún vendedor Lidar debe cuantificarlo. Si tiene agua fangosa, tiene una mayor probabilidad de obtener mejores rendimientos”. Véase la figura 1.

A pesar de las complejidades, Lidar inicialmente puede haber aparecido misterioso para topógrafos y fotogrametristas, Young ha sido testigo de un cambio de perspectiva en los últimos años.

“Todo el mundo finalmente lo aceptó”, dijo. “Cuando empecé a usar Lidar, hubo mucho resquemor de las personas a utilizar los datos, porque no sabía lo que era. Ellos no sabían cómo era exactamente. La gente de fotogrametría se entrego a él ya que son muy territoriales con lo que están haciendo. Desde entonces, la demanda de Lidar ha puesto el grito en el cielo. El tamaño de los puestos de trabajo que Lidar esta generando en las empresas es muy grande”.

Ya que Lidar es uno de varios formatos de archivos para utilizar en el modelado de elevación, ha tenido que trabajar por pasos por su condición de único y ganar su plena integración en la comunidad SIG. Pero ahora, unos cuantos desarrolladores más están reconociendo sus beneficios y esperan que el resto también pueda encontrarlos por su gran complejidad.

“Obviamente, hay dinero para ser llevadas a cabo”, dijo Young. “La gente sale y dice, ‘Ok, vamos a empezar a desarrollar softwares para los proveedores Lidar, esto para que los usuarios finales puedan sacar el máximo partido a sus datos’. Otra cosa que es difícil para los (proveedores) es que la tecnología Lidar sigue avanzando, y los algoritmos necesarios y la cantidad de datos que tienen que procesar son mucho más. Así que tienen que estar desarrollando mejores softwares para atender la demanda de nuevas aplicaciones”.

Mapper Sanborn Company ha trabajado diligentemente para superar las limitaciones de la primera y segunda generación de versiones de softwares Lidar. Una rotura en la presa de Missouri’s Taum Sauk Dam fue modelada en tres dimensiones por Leica Geosystems Sanborn utilizando datos Lidar (ver Figura 2). La compañía ha usado 0,3 metros en la densidad del punto Lidar en la construcción de la superficie del modelo y el depósito de la refinería de gestión. Sanborn se ha sumado también a otros miembros de la biomasa forestal y otros sectores para mostrar cómo archivos basados en Lidar producen superficies de la Tierra desnudas con modelados que pueden ser limpiamente separados de su cubierta como exactas imágenes de vegetación.

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Figuras 2A y 2B – La falla de la Taum Sauk Dam el 14 de diciembre de 2005, causó inundaciones masivas como más de mil millones de galones de agua se arrojarán Montaña abajo, como aplanadora paso el torrente al este de la bifurcación del río Negro en Johnson’s Shut-Ins en el Parque Estatal Missouri. El flujo fue de aproximadamente 150.000 pies cúbicos por segundo, o aproximadamente el mismo flujo que tiene las caídas del Niagra. Figura 2A muestra la rotura de la represa, mientras 2B muestra la zona inundada.

Otros que hablaron en la ILMF para compartir sus pensamientos al igual que Young sobre los softwares fue Jennifer Whitacre, gerente de cuentas para las ventas Lidar MJ Harden Associates Inc (ahora una compañía GeoEye) de Kansas City, cita el filtrado automático de datos como una característica que expertos Lidar de alto rango pueden realizar en su lista de deseos de funcionalidad en los procesamientos. En concreto, dijo, quieren tener capacidad de filtrado lo bastante robusto como para “limpiar” los puntos Lidar por características topográficas complejas y que en los perfiles de altitud se puedan distinguir.

“Creo que la tecnología se esta convirtiendo en sistemas tan avanzados que el software se queda atrás”, dijo Whitacre. Su compañía utiliza actualmente un paquete de softwares capaz de proporcionar todo, desde los datos de calibración para la gestión de proyectos, analizar el parsing y el filtrado de datos, como también cualquier sesión de cartografía que puedan requerir modificaciones desarrolladas de programas que no pueden planificarlo por adelantado, “es realmente importante para poder entrar y modificar los algoritmos con objeto de hacerlos aptos a su proyecto específico”, dijo. “Creo que todo el software tiene que ser personalizado”.

Accesos alternos para la adquisición de datos puede ayudar a reducir la carga de los datos empujando los botones al crujido de datos. Whitacre ha sido recientemente implicado en un experimento con FBC Swissphoto que se llevó a cabo para abordar la cuestión de la necesidad de que cada vez sea mayor la necesidad de proyectos Lidar.

En lugar de utilizar un medio como la cámara por el procedimiento normal, el equipo voló un Optech ALTM 3100 láser escáner, junto con una cámara de gran formato Vexcel UltraCam-D, en una plataforma única sobre la ciudad de París. Un libro blanco sobre el experimento observó que la decisión de reunir Lidar e imágenes digitales al mismo tiempo por lo general depende de una serie de parámetros, incluida la dimensión de los proyectos, toma de muestras de tierra a distancia, espaciamiento de los puntos topográficos, pero señaló que esas configuraciones a menudo tienen sentido, debido a que la “gran sinergia entre la altitud y los datos de la imagen, (con) cada uno ayudando al otro a alcanzar su pleno potencial”. Más al punto, Mappers utilizando una cámara de gran formato se puede beneficiar de la reducción de horas de vuelo y la reducción de mosaicos de grandes imágenes como resultado.

“Lo que estamos diciendo en este documento es que no siempre la mejor solución es trabajar en grandes áreas de un proyecto con una cámara de medio formato ó una pequeña cámara”, explicó Whitacre. “Vas a tener un montón de exposiciones, mucho más de lo que recibirían con su cámara de gran formato… Esto va a tomar más tiempo para volar y va a tardar más en el proceso. Con el gran formato, ‘Menor número de capturas de exposición, lo que significa la reducción de su tiempo del procesamiento, así como el ahorro de dinero de esa manera”. Véase la figura 3.


Figura 3 – Esta imagen Lidar de Kansas City fue generada por MJ Harden Associates Inc sin editar su primer retorno de datos capturados en 0,9 m. Dado que los datos brutos no se modificaron en esta fase, los edificios quedaron con rasgos bastante puntiagudos.

Young de acuerdo con Whitacre dice que la tendencia hacia más empleos está obligando al mapeo y softwares a buscar mayores escalas tecnológicas. “Un trabajo grande hace diez años era sobre un máximo de 700 millas cuadradas, o tal vez de 300 a 700 millas cuadradas”, menciono “Y ahora que estamos haciendo programas Lidar de nivel regional. Tiene que ser muy eficiente porque allí es muy competitivo. Para poder disponer de un software que ayude a ser más eficiente”.

Proveedores de softwares han reconocido tradicionalmente el “kludgy” enfocando el tratamiento de datos gigantes. Virtual Geomatics es una empresa de Austin que no se intimida al comentar sobre la lucha en esta industria. Su página web señala que la complejidad del flujo de trabajo es “a menudo debido a las limitaciones de las herramientas de softwares, la complejidad en el mosaico kludged y junto a aplicaciones y softwares arounds necesarios para manejar grandes conjuntos de datos LAS, y la complejidad en la formación de nuevos empleados para el manejo de mashup actualmente requiere de herramientas y softwares. Incluso los mejores proveedores de servicios hacen frente a un despilfarro innecesario y complejo que todos terminan apuntando a la completa falta de soluciones de softwares”.

VG4D Production Manager, producto emblema de Virtual Geomatics’, está diseñado para manejar la gestión del flujo de trabajo, gestión de proyectos, filtros, visualización 3D y herramientas espaciales necesarias como punto gridding y cálculos de densidad. Otro software de la industria es QCoherent de Colorado Springs, que ha creado una extensión llamada LP360 que integra una nube de puntos de datos en ArcGIS sin necesidad de una importación o proceso de conversión.

En su presentación ILMF en función de la extracción de datos Lidar, Overwatch Textron Systems Director Ejecutivo de Operaciones de Stuart Blundell mencionó, “El desarrollo de software está siempre persiguiendo los avances en la capacidad del sensor”. Está dedicado a resolver las necesidades específicas de Lidar en tres zonas en las que se crean cuellos de botella durante el proceso de extracción de features:

  • El uso de múltiples sensores durante la adquisición

  • La fusión de datos color RGB o intensidad de datos con puntos XYZ

  • Altas resoluciones espaciales y muy grandes conjuntos de datos

Logjams es un software que se ahoga tratando de acomodar todas las features de Lidar. De acuerdo con Blundell, lo más probable es que ocurra en la etapa de registro de datos, durante la extracción de features, atributos o cuando se aplican los datos para que puedan ser utiles en una base de datos SIG. Si los datos Lidar se pueden manipular de una manera de tal forma de alinearse con el Sistema de Información Geográfica vectorial o formatos shapefile, los cartógrafos expertos deberían ser capaces de ir más allá de la simple visualización de una escena y la extracción de características físicas más pequeñas dentro de esa escena. Ver figuras 4 y 5.

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Figura 4a – La primera imagen muestra una vista de 7×7 kilómetros Lidar recogidas a lo largo de Denver, Colorado. Los datos Lidar se han sombreado usando un softwares analistas Lidar para soportar la visualización de los datos. Elevaciones más altas se encuentran en colores blancos y elevaciones más bajas en verde.

Figura 4b – La segunda imagen muestra la cuadrícula Lidar Bare Earth y extrae automáticamente los datos usando el Analista Lidar. Bare Earth se utiliza para soportar el análisis del terreno.

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Figura 4c – La tercera imagen extrae edificios automáticamente con Lidar Analyst como shapefiles 3D. Lidar Analyst hace extracciones simples, de componentes múltiples y complejos edificios en Lidar 3D. Estos 3D shapefiles incluyen 18 diferentes geometrías y atributos descriptivos para cada edificio, como máxima altura sobre el suelo, techos y tipos de zona.

  • Lidar Analyst es un software Overwatch Textron Systems diseñado en el 2004 para proporcionar esta funcionalidad como un plug-in para ArcGIS y ERDAS Imagine. Volverá a estar disponible en el 2008 como un plug-in para Remote View y ELT.

Blundell también hace hincapié en la importancia de la especificación de archivos estándares en diseño de software, y elogia la labor que ha completado en este ámbito el LIDAR Comité of the American Society de Fotogrametría y Teledetección. “Si la gente está usando LAS (Lidar Data Exchange Format) para Lidar, independientemente del tamaño del conjunto de datos, la normalización de una manera en que podemos interpretar la información acerca de la resolución espacial y ese tipo de cosas”, dice.

La especificación LAS 1.0 ya son ampliamente aceptados en la industria. Una actualización, LAS 1.1, incorpora características que permiten puntos más sólidos. LIDAR miembro del comité Graham Lewis representa LAS 1.1 como una actualización que soluciona los problemas en el 1.0, tales como limitaciones en la codificación de números de línea de vuelo. Se espera que el estándar LAS 2.0 tenga una importante edición, con almacenamiento más completo en la codificación de terreno para el modelado y nuevas tecnologías como forma de onda de la digitalización.

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Figuras 5a, 5b, 5c y 5d – Esta serie de Overwatch Textron Systems muestra la extracción de features para la identificación de un dumpster.

Con otros productos disponibles se están realizando múltiples plataformas Lidar para avanzar tanto para trazado de mapas espaciales y cartografía terrestre, la industria está madurando. ILMF Conference Chairman Alastair MacDonald señaló que la delegación y sus 34 exposiciones detalladas durante dos días reflejan la creciente tecnología e importancia para el mundo de la industria cartográfica. Y la variedad de conversaciones demostró la creciente riqueza de específicos nichos de despliegues Lidar. Por ejemplo, Kevin McMaster Especialista en Visualización SIG orientó a los asistentes sobre el uso del Lidar para en zonas de restauración ribereñas. Portavoces de Applied Research Associates Inc. hizo una presentación titulada la rápida reconstrucción de edificios con Topología generada por el Laser Aerotransportado Lidar. Otra charla se centró en la caracterización del fondo del mar utilizando sensores aerotransportados.

En un único proyecto en particular, Merrick & Company ayudó a la US Army Corps de Ingenieros en un estudio de 22 millas cuadradas del río Missouri para evaluar los beneficios de Lidar y la fusión con sensores para la preservación del hábitat del águila. Lidar recogió información junto con fotografías digitales e imágenes hiperespectrales para determinar si los nuevos métodos de análisis pueden ser demostrados más rápidamente y más rentables que la tradicional cartografía y sobre técnicas de inventario del terreno.

La empresa unirá imágenes fotográficas e hiperespectrales en modelos de elevación digitales Lidar para analizar la cubierta de tierra y factores de delineación de especies de vegetación, entonces se podría decidir su incorporar en la planificación de conservación. Si este acercamiento parece ser factible, será aplicado a la región de mitigación entera de 735 millas cuadradas.

La conferencia Denver ILMF mostró que el número de especialistas Lidar aumentan. Con más cerebros que trabajen y una gama de hardware muy capaz, las deficiencias actuales del software deben disminuir, el posicionamiento Lidar en el futuro como una forma aún más popular entre expertos para adopción de cartografía digital.

Fuente:

Imaging Notes

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