“3er Congreso Europeo de Pacientes, Innovación y Tecnologías”
INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA LiDAR - … · introducciÓn a la tecnologÍa lidar xv congreso...
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INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA LiDAR
XV CONGRESO NACIONAL TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOGRÁFICAXV CONGRESO NACIONAL TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOGRÁFICATecnologías de la Información Geográfica en el Contexto de Cambio Global
Mariano García Alonso (mariano garcia @ uah es)
4
Mariano García Alonso (mariano.garcia @ uah.es)
INTRODUCCIÓN AL LiDAR
Introducción a la tecnología LiDAR. Principios básicos
Componentes de un sistema LiDARp
Especificaciones del sistema
Clasificación de los sistemas LiDAR
Datos proporcionados por los sistemas LiDAR Datos proporcionados por los sistemas LiDAR
Precisión de los datos LiDAR
Recursos disponibles
5
Pr
LiDAR: Light Detection And Ranging.
Laser scanningrinci
Laser scanning
Airborne Laser Scanning (ALS)ipios
LaDAR (Laser Detection and Ranging)
ás
bás
Rápido desarrollo desde mediados de 1990s.
Sistemas experimentales. Perfiles (Institute forsicos
p
Photogrammetry, University Stuttgart, Special research group)
s
6
Instrument developmentInstrument development
1993 2007Pr 1993 2007
2 kHz Up to ~200 kHz
rinci
1000 m max. AGL height Up to 4500 m max. AGL height
ipios
±20º scan angle Up to ±32º scan angle s
bás
First or last return Multiple returns to full waveform
4 5 m point spacing 8 16 bit intensity values
sicos 4-5 m point spacing 8-16 bit intensity values
< 1m point spacing
s
7
g
Lidar Market: Status and growth Trends g(presented at the International Lidar Mapping Forum 28 January 2009. Tina Cary, Ph.D, Cary and Associates)
Pr
Region LiDAR systems
North America 51 ALS operated by 29 commercial companies and 3
rinci 5 p y 9 p 3
universities
Europe 30 ALS operated by 19 commercial companies and 1 university
ipios university
Rest of the world 29 ALS operated by 18 commercial companies
Bathymetric LiDAR 10 systems operated by 3 commercial companies and 7
s
bás government organizations
global market for lidar services at $160 million per year with North
sicos global market for lidar services at $160 million per year, with North
America being the largest market at $64 million, Rest of World next at $52 million, and Europe accounting for $44 million
s
8
Sistema activo
Pr
Sensores Pasivos(i) Reflexión(iii)
rinci
( )(ii) Emisión
(i)
(iii)
(ii)ipios
Sensores Activos(iii) Emisión-Reflexión
s
bássicos
Chuvieco,2002s
9
Prrinciipioss
bássicoss
10
Prrinciipioss
bássicoss
11
Principio de funcionamiento. Medida de distancia
Pr
R
rinciipioss
bás R=c*t/2
R: distancia sensor-objeto (range) l id d d l l (300 000 k 1)
sicos c: velocidad de la luz (300.000 km s-1)
t= tiempo transcurrido entre la emisión del pulso y la recepción del retorno
s
12
Principio de funcionamiento. Medida de distancia
Diferencia de fasePrrinciipioss
bás
R: distancia sensor-objeto (range) c: velocidad de la luz (300.000 km s-1) f= frecuencia (Hz)
sicos f= frecuencia (Hz)
= diferencia de fase entre la señalemitida y la recibida (rad)
s
13
Componentes
s
Unidad de medida de distancia
iste
(Fuente: Baltsavias:International SchoolonLiDARTechnology, IIT Kanpur, India, 31 March - 4 April 2008)
Scanner
Sistema GPS (posicionamiento diferencial)
I ti l M t U it
ma
L Inertial Measurement Unit
Unidad de control, seguimiento y registroiDAR
14
Compo
GPS 1Hz … 2Hz
nent 2Hz
IMU 50Hz … 200Hz
es
s Ranging Unit 5000Hz …
25000Hziste
GPS & IMU Interpoladas a los registros proporcionados por la unidad de medida de distancias
ma
LiDAR
15
Ejemplo adquisición de datos de un sistema aeroportadoC Ejemplo adquisición de datos de un sistema aeroportadoomponentes
sistema
LiDAR
16
Pueden determinar los costes de adquisición e incluso la viabilidad del E proyecto
Frecuencia de emisión de pulsos:• Número de pulsos emitidos por segundo.
Espec p p g
• ≥150 kHz.• Mayor altura de vuelo y velocidad Tiempo de vuelo y costes
cific
Patrón de escaneo:• Función del espejo
Frecuencia de escaneo:
cacio Frecuencia de escaneo:
• Número de líneas por segundo
Ángulo de escaneo:
ones
Ángulo de escaneo:• Determina el FOV
Divergencia del rayo:
sist
g y• Incremento del diámetro del rayo con la distancia
tema
17
Pueden determinar los costes de adquisición e incluso la viabilidad del proyectoE
Diámetro de la huella:
IFOV
Espec • IFOV
• Área muestreada por el láser.• f(altura de vuelo, ángulo escaneo, divergencia del rayo, geometría objeto)
cific geometría objeto)cacioones
Distancia entre huellas:• Junto con el diámetro de la huella determina la resolución
sist Junto con el diámetro de la huella determina la resolución
Configuración de registro:• Determina cómo se graban la energía recibida
tema
18
g g
Criterios
Clas
Superficie a medir
sificcacióón
siistem
=(700-1550 nm) =(700-1300 nm) =(500-600 nm)
mas
19
Criterios
PlataformaClassificcacióón
siistemmas
20
Criterios
Capacidad de registroClassificcacióón
siistemmas
21
Criterios
Tamaño de huellaClassificcacióón
siistemmas
22
Datos LiDAR
Dattos
p GPS 1Hz propo
GPS 1Hz … 2Hz
IMU 50Hz … 200Hz
orcio
Ranging Unit 5000Hz … 25000Hz
onadoos
23
Datos adquiridos por sistemas LiDAR
Dattos
ppropoorcioonadoos
24
Datos adquiridos por sistemas LiDAR
Classified returnsDattos
ppropo
Intensity dataorcioonadoos
Datos adquiridos por sistemas LiDAR
IntensidadDat
starratm
r PR
DDP 24
222
4
(Baltsavias, 1999)
tos
p
Intensidad depende:
propo Intensidad depende:
Propiedades del sistema
Ángulo de incidenciaIntensidad varía entre campañas, regiones o incluso a lo largo de
orcio Ángulo de incidencia
Distancia
Reflectividad del objeto
regiones o incluso a lo largo de una misma línea de vuelo
onado j
Problema: los sistemas comerciales no proporcionan información sobre el algoritmo empleado para detectar los retornos.
os
26
g p p
Datos adquiridos por sistemas LiDAR
Calibración de los datos de intensidad ¿?Dat
1.- Range dependency removal
Datos normalizados a una distancia estándar definida por el usuario
¿tos
ppropo
Before Normalization After Normalizationorcioonadoos
27
Intensidad. Calibración
Se han propuesto otro método más elaborados
Höfle and Pfeifer (2007)Dat Utiliza dos aproximaciones
1.- Empírica. • Asume que la intensidad es proporcional a la reflectividad del terreno y
tos
p Asume que la intensidad es proporcional a la reflectividad del terreno y depende de la altura de vuelo via una función monótona.
Es necesario volar con distintas alturas de vuelo sobre las áreas (target) de
propo Es necesario volar con distintas alturas de vuelo sobre las áreas (target) de
referenciaSolo se pueden emplear retornos únicos como targets de referencia
orcio
2.- Teórica. onadoos
Intensidad. Calibración
Dat B f C titos
p
Before Correction Data-driven correction
propoorcioonadoos
Höfle and Pfeifer (2007)
29
Atributos de los datos LiDAR
Densidad de pulsos:
Número de pulsos emitidos por m-2. Dat
p p f(distancia entre huellas) Relacionado con la resolución espacial
D id d d t
tos
p Densidad de puntos:
Número de retornos por m-2.
propo
Número de retorno:
Orden de un retorno en relación a aquellos que se han d d l
orcio generado a partir de un pulso. onado
https://www e-education psu edu/lidar/book/export/html/1873
os
30
https://www.e education.psu.edu/lidar/book/export/html/1873
Atributos de los datos LiDAR
Ángulo de escaneo:
Atributo del pulso = todos los retornos asociadosDat
p
Tiempo GPS:
Instante de emisión del pulso
tos
p Instante de emisión del pulso.Atributo heredado por todos los retornos asociados al pulso
Final línea escaneo:
propo Final línea escaneo:
Atributo binario. Indica si el pulso corresponde al final.Atributo heredado por todos los retornos
orcio Atributo heredado por todos los retornos
Clasificación:
onado Clase a la que corresponde el retorno.
Opcional.
os
31
Formatos de los datos LIDAR
Full waveform / retornos discretosDat
X, Y, Z, Intensidad
/
Primer y/o último retorno; múltiples retornos; ángulo escaneo; etc
tos
p Primer y/o último retorno; múltiples retornos; ángulo escaneo; etc.
Variedad de formatos (propietarios, ASCII)
Inconvenientes:
propo Inconvenientes:
Sistemas propietarios: difícil intercambio entre sistemas
orcio
Lectura e interpretación de los datos en formato ASCII puede ser muylenta y el tamaño del archivo puede ser muy grande, incluso paracantidades de datos pequeña
onado
p q
La información bruta, así como cierta información específica de la adquisición de los datos es perdida.
os
32
Atributos de los datos LiDAR
Dattos
ppropo
GPS-time X,Y,Z & Intensity last return X,Y,Z & Intensity 1st return
orcio
Huso UTM
onadoos
33
Formatos de los datos LIDAR
LASer (LAS) File Format ExchangeDat
Formato público para el intercambio de datos LiDAR
( ) g
Formato de archivos binarios ASPRS
tos
p Formato de archivos binarios-- ASPRS
Última versión permite almacenar datos full waveform
http://www asprs org/society/committees/standards/asprs las spec v13 pdf
propo http://www.asprs.org/society/committees/standards/asprs_las_spec_v13.pdforcio Actualmente, incluso software no específico para datos LiDAR software,
puede leer archivos LAS
onado PCI GEOMATICS , ENVI, ERDAS, ArcGIS, GVSIG,…os
34
Formatos de los datos LIDAR
LAS format v1.3Dattos
ppropoorcioonadoos
35
Precisión de las coordenadas
Fuentes de distorsión (Huising & Gomes Pereira, 1998; Maas, 2001):Pre
Sistema Laser (laser instrument+INS+GPS)
Efectos atmosféricos (troposphere atmospheric transmissivity)
cisi Efectos atmosféricos (troposphere, atmospheric transmissivity)
Características del objeto (permeabilidad, pendiente, …)
ón
d
Determinación de las distancias Z atos
GPS/IMU principal fuente de error (Maas, 2001)
Espejo X,YLiD GPS/IMU principal fuente de error (Maas, 2001)
10-20 cm en Z, hasta 50 cm en X,YAR
36
Precisión de las coordenadas
Ejemplo determinación de la precisión:
Pre j p p
Z error en torno a +/- 15cm para una altura de vuelo de 1000 m.Error horizontal (X,Y) en torno a 50cm (o 1/2000 la altura de vuelo).
cisi
(Amable, G. comunicación personal)ón
datos
LiD
3 x 3 m
M d f 2004
AR
37
Morsdorf, 2004
Precisión de las coordenadas
¿Cómo quedan reflejados estos errores?:Pre
Desplazamientos visibles en las zonas de solapecisión
datos
LiDAR
38
Precisión de las coordenadas
¿Cómo quedan reflejados estos errores?:Pre
Desplazamiento horizontal. Elementos artificialescisión
datos
LiDAR
39
Precisión de las coordenadas
Corrección de los desplazamientos:
Pre Corrección de los desplazamientos:
Global: aplicación de métodos que permiten corregir en bloque los
cisi Global: aplicación de métodos que permiten corregir en bloque los
desplazamientos horizontales y verticales
Modelos que consideran diferencias entre puntos
ón
d ode os que co s de a d e e c as e t e pu tos
Identificación de elementos que permite cuantificar las
diferencias entre ambas pasadas.
atos p
Modelos sensorLiD
2- fases: corrección primero en Z y luego en X,Y.AR
40
Precisión de las coordenadas
¿Cómo quedan reflejados estos errores?:
Desplazamiento vertical. MDE
Pre Desplazamiento vertical. MDEcisión
datos
LiD
Pfeifer International School on Lidar Technology
AR
41
Favalli et al., (2009)2008 IIT Kanpur, India
Precisión de las coordenadas. Ejemplo corrección error
Precisión nominal
j pplanimétrico
Pre
10-20 cm en Z, hasta 50 cm en X,Ycisión
datos
LiDAR
42
García et al. 2009 (Geofocus)
Precisión de las coordenadas. Ejemplo corrección error
Generación imágenes de intensidad a partir de los daros LiDAR
j pplanimétrico
Pre Generación imágenes de intensidad a partir de los daros LiDAR
Áplicación de técnicas de correlación de imágenescisión
datos
LiDAR
43
García et al. 2009 (Geofocus)
Precisión de las coordenadas. Ejemplo corrección error
Datos ajustados con una transformación afín 2-D
j pplanimétrico
Precisión
datos
LiDAR
44
García et al. 2009 (Geofocus)
Recursos: sofware comerciales de procesamiento y visualizacion
Rec Terrasolid TerraScan TerraModelercurso
Terrasolid TerraScan TerraModeler
Merrick’s Advanced Remote Sensing (MARS) Softwareos
di
QT Modeler (Tinning and visualization)
ArcGIS and extensionsispon
ArcGIS and extensions
Interactive Data Language (IDL) for custom routines
nible
GlobalMapper
es
45
Recursos de libre distribucion
Reccursoos
diisponniblees
46
Recursos de libre distribucion
Reccursoos
diisponniblees
47
Recursos de libre distribucion
Reccurso
http://www.airbornelasermapping.com/
http://www.lidarmap.org/index.htmlos
di
http://www.lidarmap.org/index.html
http://www.fsl.orst.edu/~lefsky/ispon
http://www.asprs.org/society/committees/lidar/
http://www geo unizh ch/ morsdorf/nible
http://www.geo.unizh.ch/~morsdorf/
http://lidar.cr.usgs.goves
48
Recursos de libre distribucion
Rec
Research groups Dubayah – University of Maryland
L f k C l d St t U i itcurso
Lefsky – Colorado State University Hyppa - Helsinki University of Technology Naesset - Norwegian University of Life Sciences
os
di
Homlgren – Swedish University of Agricultural Sciences Morsdorf- Universidad de Zurich Popescu – Universidad Texas A&M
ispon
Journals Remote Sensing of Environment and other RS journals Scandinavian Journal of Forest Research, 19: 6, 2004
nible
, , Canadian Journal of Remote Sensing (CJRS). 2003. Special issue:
LIDAR remote sensing of forest structure and terrain. Volume 29, No. 5
es ISPRS. 1999. Special issues on airborne laser scanning. ISPRS Journal
of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 54, No. 2 and 3
49