Sorprendente capacidad de penetración del LiDAR a través de distintas superficies
La tecnología LiDAR envía cientos de miles de impulsos láser por segundo. Alcanza una precisión impresionante de entre 2,5 y 10 centímetros en las zonas estudiadas. Esta precisión la convierte en una excelente forma de obtener datos para crear detalladas nubes de puntos 3D que sirven para aplicaciones de todo tipo, desde la geología a la planificación urbana.
El LiDAR brilla realmente cuando se trata de cartografiar las superficies del suelo bajo las copas de los bosques penetrando en la vegetación. El rendimiento de la tecnología varía sustancialmente con los distintos materiales. Puede medir eficazmente la profundidad del agua y ver a través de huecos en el espeso follaje. Pero tiene dificultades con superficies sólidas como la madera o el suelo denso. La detección subterránea sólo alcanza unos pocos centímetros en condiciones de suelo típicas.
Este detallado artículo se adentra en la capacidad del LiDAR para penetrar en distintas superficies, desde la vegetación y el agua hasta las condiciones atmosféricas y los materiales del suelo. Encontrarás los puntos fuertes y las limitaciones de la tecnología en distintos entornos. Esto te ayudará a comprender dónde funciona mejor el LiDAR y cuándo podrías necesitar enfoques alternativos.
Vista LiDAR de arriba abajo que muestra la vegetación y las estructuras de los edificios con gran detalle
Fundamentos de la tecnología LiDAR y principios de penetración
La tecnología LiDAR funciona según un principio básico: envía impulsos láser a una superficie y mide cuánto tardan en rebotar. Esta medición del tiempo ayuda a calcular la distancia exacta mediante una sencilla fórmula: Distancia = (Velocidad de la luz × Tiempo transcurrido) ÷ 2. El alcance del sistema en distintas superficies depende de varios factores técnicos.
Cómo afectan las longitudes de onda LiDAR a la capacidad de penetración
La longitud de onda del láser desempeña un papel crucial en la profundidad que puede alcanzar el LiDAR en los distintos materiales. Las longitudes de onda del infrarrojo cercano (NIR ) de unos 1064 nm funcionan mejor para cartografiar la tierra, con fuertes reflejos de plantas y edificios. Estas longitudes de onda son excelentes en tierra, pero tienen dificultades para penetrar en las superficies acuáticas.
Las longitudes de onda verdes a 532 nm muestran mejores resultados en el agua, lo que las hace perfectas para los sistemas LiDAR batimétricos que cartografían el terreno submarino. Esta longitud de onda consigue el equilibrio adecuado entre la transmisión del agua y la retrodispersión limitada de las partículas submarinas.
La cartografía oceánica funciona mejor con una longitud de onda de 488 nm para el 61,82% de los océanos mundiales, mientras que 443 nm cubre otro 14,81%. Las longitudes de onda especiales que coinciden con las líneas Fraunhofer solares (486,134 nm y 438,355 nm) reducen la luz de fondo en un 70% aproximadamente. Esta reducción ayuda al sistema a alcanzar un 5,0% más de profundidad en el agua.
Componentes clave que determinan la profundidad de penetración
Varios elementos clave determinan la profundidad que puede alcanzar el LiDAR:
- 1. Características del láser: La energía del pulso, la velocidad de repetición y la dispersión del haz afectan a la profundidad a la que puede ver el sistema. Una mayor energía de pulso implica un mayor alcance, pero puede plantear problemas de seguridad ocular en determinadas longitudes de onda.
- 2. Propiedades del material: El LiDAR penetra mejor en suelos secos, arenosos o arcillosos que en materiales densos o rocosos. El contenido de agua también afecta a la penetración: los materiales húmedos absorben los impulsos láser y dificultan la detección de objetos bajo la superficie.
- 3. Sensibilidad del sensor: Los mejores detectores pueden captar señales más débiles, lo que ayuda a detectar objetos incluso después de que los impulsos pierdan gran parte de su energía al viajar a través de los materiales.
- 4. Mecanismo de exploración: El ángulo del haz afecta a la calidad de la reflexión. Los ángulos más pronunciados suelen dar mejores resultados al penetrar en superficies de agua.
- 5. Divergencia del haz: Los rayos láser enfocados penetran mejor en las copas de los árboles en los bosques.
Técnicas de procesamiento de señales para mejorar la penetración
Los modernos métodos de procesamiento de señales ayudan al LiDAR a ver más profundamente:
El análisis de forma de onda completa capta la señal láser reflejada completa en lugar de puntos aislados. Este método ayuda a crear modelos detallados de columnas de agua, características submarinas y claridad del agua mediante el estudio de la intensidad del pulso, la anchura del eco y los patrones de onda. Ayuda a los sistemas a ver más profundamente ajustando el procesamiento de la señal para los retornos débiles en condiciones difíciles.
Los métodos de reducción de la retrodispersión utilizan técnicas de filtrado espacial de los sistemas de radar de penetración en la pared. Estos métodos reducen los reflejos no deseados de las partículas en el agua y mejoran la precisión de las mediciones en condiciones turbias.
La modulación de doble frecuencia reduce la confusión de alcance en los sistemas de alta frecuencia. Por poner sólo un ejemplo, observa cómo el uso de dos frecuencias (160 MHz y 140 MHz) con una diferencia de 20 MHz crea señales más claras tanto en aguas claras como turbias.
Renderizado de nubes de puntos LiDAR de un entorno boscoso
Capacidad de penetración de la vegetación y las copas de los árboles
En realidad, los sistemas LiDAR no ven a través de la vegetación. Detectan huecos en el follaje que permiten que algunos impulsos láser lleguen al suelo bajo las copas de los árboles. Esta diferencia nos ayuda a comprender cómo la tecnología cartografía el terreno bajo la densa cubierta forestal, donde las técnicas fotogramétricas tradicionales no pueden identificar objetos ocultos a la vista directa.
Profundidades máximas de penetración a través de las copas de los árboles
Las densas selvas tropicales sólo permiten que entre el 10% y el 30% de los impulsos LiDAR penetren con éxito en el dosel para llegar al suelo. El índice de penetración cambia según el tipo y la estructura del bosque. Los bosques con estructuras más complejas necesitan ajustes en la resolución de los datos LiDAR. Los bosques del sur con estructuras más simples pueden cartografiarse con resoluciones de 25-50 metros, mientras que los complejos bosques del noroeste del Pacífico necesitan parámetros diferentes.
El LiDAR en modo Geiger ha mejorado la capacidad de penetración en las copas de los árboles. Esta tecnología utiliza una matriz de fotodiodos que puede detectar fotones individuales, a diferencia de los sistemas tradicionales de modo lineal. El sistema inunda una zona con luz infrarroja, y cada diodo de la matriz capta fotones individuales que rebotan en la superficie iluminada.
Las ventajas técnicas marcan una gran diferencia: El modo Geiger destella hasta 50.000 veces por segundo y captura 4.096 mediciones por destello. Esto equivale a unos 205 millones de muestras por segundo. Cada metro cuadrado de terreno puede muestrearse miles de veces en un solo sobrevuelo. Las múltiples oportunidades para que los pulsos láser encuentren aberturas entre hojas y ramas mejoran la detección del terreno bajo un dosel denso.
Factores que afectan a la capacidad del LiDAR para ver a través de la vegetación
Estas variables clave influyen en la capacidad de penetración del LiDAR en la vegetación:
Características del pulso y diseño del sistema
- Divergencia del haz: Los sistemas con menor divergencia del haz (por ejemplo, 0,5 milirradianes) producen puntos más estrechos (aproximadamente 5 cm a nivel del dosel). Esto aumenta la posibilidad de encontrar huecos en el follaje
- Análisis de retorno: Los sistemas LiDAR avanzados pueden analizar hasta cinco retornos de cada pulso transmitido. Esto ayuda a detectar múltiples capas, desde la copa del árbol hasta el suelo.
- Densidad de pulsos: Las densidades más altas (más de 800 pulsos por metro cuadrado) mejoran mucho los índices de detección del suelo
Las condiciones ambientales desempeñan un papel vital en la eficacia de la penetración. Los estudios demuestran que los niveles de humedad afectan al rendimiento. Los estudios LiDAR realizados justo después de una lluvia muestran índices de penetración más bajos porque el agua en las superficies debilita las señales de eco del láser. El LiDAR aerotransportado actual utiliza longitudes de onda cercanas al infrarrojo, entre 1.000 y 1.500 nm. Estas longitudes de onda interactúan de forma diferente con la vegetación que las longitudes de onda verdes (532 nm) utilizadas en algunos sistemas, que muestran una reflectancia reducida de la vegetación.
Las estaciones también cambian el rendimiento. Los bosques caducifolios muestran diferencias de penetración entre las condiciones de hoja caída y hoja caída. Las exploraciones de invierno suelen mostrar mayores sesgos de altura en comparación con las recolecciones de primavera, verano y otoño. Las investigaciones de campo muestran que la penetración puede alcanzar el 18% (6,2 metros) de la altura media de los árboles en los bosques caducifolios durante el verano. Esto aumenta al 24% (8,2 metros) durante el invierno.
Aplicaciones terrestres en silvicultura y conservación
Saber penetrar en el dosel ha cambiado múltiples disciplinas. El LiDAR ayuda a los gestores forestales a medir con precisión la altura de los árboles, la densidad del dosel y la topografía del terreno. Estos datos ayudan a planificar la tala de madera, el clareo forestal y la evaluación general de la salud.
El Laboratorio Lincoln trabaja en algo nuevo: un LiDAR con detección de desplazamiento Doppler que puede detectar seres humanos bajo el denso dosel de la selva tropical. Este sistema quiere identificar «firmas» de movimiento humano únicas, distintas del movimiento natural de la vegetación. Los sistemas actuales pueden detectar estructuras, pero no personas bajo el dosel.
La conservación de la fauna salvaje se beneficia de la capacidad de penetración del dosel. La cartografía detallada del terreno muestra características críticas del hábitat, como troncos caídos, fuentes de agua y posibles lugares de anidamiento que, de otro modo, permanecerían ocultos. Esta tecnología ayuda a frenar las actividades ilegales en los bosques protegidos -desde la tala no autorizada hasta el tráfico de animales salvajes- al revelar estructuras y campamentos ocultos bajo la densa cubierta arbórea.
El LiDAR ayuda a medir con precisión las elevaciones del terreno en las cuencas boscosas para la hidrología y el control de la erosión. Esto apoya la evaluación del riesgo de inundaciones y la planificación de la gestión. Los pequeños arroyos y patrones de drenaje que antes estaban ocultos se hacen visibles, lo que conduce a una modelización hidrológica más precisa.
Nube de puntos de un bosque sin clasificación
Nube de puntos de un bosque con clasificación del terreno
Rendimiento de penetración de agua y nieve
Los sistemas LiDAR se enfrentan a retos únicos en entornos de agua y nieve que requieren configuraciones especiales para alcanzar profundidades significativas. Los impulsos láser interactúan con estos entornos de formas que revelan tanto capacidades asombrosas como claras limitaciones.
LiDAR batimétrico: ver a través de la superficie del agua
El LiDAR batimétrico utiliza pulsos láser verdes (normalmente de 532 nm de longitud de onda) que funcionan excepcionalmente bien penetrando en las superficies del agua. El agua clara apenas absorbe o dispersa esta longitud de onda, lo que hace posible la cartografía submarina. La claridad del agua afecta a la profundidad que puede alcanzar el sistema. La profundidad máxima puede alcanzar los 25 metros en condiciones de claridad cristalina. Estos sistemas suelen medir profundidades de hasta tres veces la profundidad Secchi (una medida estándar de la claridad del agua).
El proceso de medición requiere complejos cálculos de tiempo de vuelo porque la luz se curva al entrar en el agua. El pulso láser crea dos señales: una rebota en la superficie y el resto viaja por el agua y se refleja en el lecho marino. Los sistemas modernos analizan estos dos retornos para calcular la profundidad exacta.
Hay varios elementos que afectan a la penetración del agua:
- Turbidez del agua (sedimentos en suspensión y algas)
- Condiciones de la superficie (olas y picadas)
- Características de reflectividad del fondo
- Salida de energía láser y sensibilidad del receptor
Capacidades y limitaciones de penetración de la nieve
Los científicos miden la profundidad de la nieve comparando los datos de la superficie nevada y del suelo desnudo. Este método muestra una precisión excepcional. Algunos sistemas obtienen incertidumbres inferiores a 10 centímetros. Las condiciones ambientales influyen mucho en el funcionamiento de estos sistemas.
Las pruebas con módulos LiDAR de iPhone en drones de consumo dieron grandes resultados. Consiguieron errores cuadráticos medios de sólo 3 cm y errores medios absolutos de 2,5 cm en las mediciones de la profundidad de la nieve. Incluso los sistemas avanzados tienen problemas a veces. La longitud de onda de 1550 nm tiene más problemas con la nieve que la de 905 nm.
Los bosques crean retos adicionales. Las investigaciones revelan errores mucho mayores en las zonas forestales que en los campos abiertos. Un estudio halló valores de desviación media absoluta (DMA) de 0,96 cm en los campos, pero de 9,6 cm en los bosques.
Casos prácticos de cartografía hidrológica y glaciar
A los glaciólogos les encanta el LiDAR porque recopila rápidamente datos detallados sobre grandes áreas. La tecnología capta diminutas características de la superficie del hielo con una precisión cercana a los 10 cm.
Los sistemas LiDAR destacan en la detección de características específicas de los glaciares. Revelan grietas, morrenas, corrientes de fusión y moulins (sumideros) que otros métodos pasan por alto. Ahora los científicos siguen el movimiento de los glaciares con una precisión asombrosa. El escaneado láser terrestre (TLS) del glaciar Helheim puede rastrear incluso los rasgos más pequeños, tanto manual como digitalmente.
Las aplicaciones del mundo real demuestran el valor del LiDAR. Proporciona datos esenciales que modelan los procesos glaciohidrológicos mejor que nunca. El LiDAR aerotransportado ofrece soluciones asequibles para tareas de cartografía de glaciares, como el control del balance de masas.
Nube de puntos batimétrica realizada con YellowScan Navigator
Corte de la nube de puntos batimétrica que muestra el terreno submarino
Penetración atmosférica a través de niebla, lluvia y nubes
La meteorología crea grandes retos para los sensores LiDAR. Las condiciones atmosféricas como la niebla, la lluvia y la nieve afectan al rendimiento a través de distintos mecanismos físicos. Los últimos avances en tecnología de sensores no han eliminado estos obstáculos medioambientales, que son muy importantes para las aplicaciones terrestres.
Cómo penetra el LiDAR en diferentes condiciones meteorológicas
El mal tiempo afecta al rendimiento del LiDAR a través de tres mecanismos: absorción, dispersión y reducción de la reflectividad de la superficie. La lluvia reduce la eficacia del LiDAR de dos formas. Las nubes de puntos (NPC) disminuyen porque los pulsos láser rebotan en las gotas de lluvia antes de alcanzar los objetivos. La precisión de la distancia se resiente cuando los pulsos golpean la precipitación y regresan demasiado pronto.
Las longitudes de onda LiDAR reaccionan de forma diferente a las condiciones atmosféricas. Los sistemas con longitud de onda de 1550 nm ofrecen mayor alcance en condiciones perfectas, pero pueden perder esta ventaja con mal tiempo. El sensor AEye 4Sight M utiliza una longitud de onda de 1550 nm y muestra una notable resistencia frente a diversas intensidades de lluvia. Su elevada potencia de salida láser ayuda a mantener estables los números de la nube de puntos gracias a una mejor penetración.
El diseño del sistema marca una gran diferencia en la resistencia a la intemperie. El lidar atmosférico del satélite EarthCARE muestra lo mejor del diseño especializado. Dispara rayos láser ultravioleta y utiliza métodos de detección inteligentes para diferenciar los distintos tipos de dispersión. El receptor descompone las señales retrodispersadas en tres canales. Esto ayuda a medir por separado las partículas y las interacciones moleculares.
Comparación del rendimiento en entornos despejados frente a nublados
Las condiciones meteorológicas despejadas y adversas muestran grandes diferencias de rendimiento. Una lluvia intensa de 25 mm/h reduce el alcance del LiDAR en un 15-20%. La niebla resulta peor, con una reducción del 50%. El equipo de Linnhoff realizó un estudio de seis meses que corrobora esta afirmación. Descubrieron que la detección empezaba a fallar a los 10 mm/h de lluvia, y que la detección de objetivos se detenía a los 50 mm/h.
La tecnología LiDAR a veces supera a la visión humana y a las cámaras en la niebla. La relación entre visibilidad y rendimiento no siempre es directa.
Aplicaciones de vehículos autónomos con poca visibilidad
Los vehículos autónomos necesitan LiDAR fiable con mal tiempo. El aprendizaje profundo es prometedor en este caso. Las investigaciones demuestran que el entrenamiento con conjuntos de datos más grandes de condiciones despejadas funciona igual de bien en todo tipo de condiciones meteorológicas. Esto cuestiona la creencia de que los sistemas necesitan datos de entrenamiento con condiciones meteorológicas adversas.
Un mejor procesamiento de la señal también ayuda. El análisis completo de la forma de onda ayuda a los sistemas de conducción autónoma a comprender las señales en condiciones difíciles. Muchos fabricantes han creado algoritmos especiales. Estos filtran la lluvia, la niebla y el polvo de las nubes de puntos. Los resultados son buenos para mejorar la percepción y la precisión de la detección.
El futuro apunta a la fusión de sensores en lugar de soluciones con un solo sensor. Esto proporciona a los vehículos el mejor conocimiento del entorno en cualquier condición. El LiDAR trabaja con el radar y otros sensores para cubrir los puntos débiles individuales en condiciones meteorológicas adversas.
Drone equipado con el sistema LiDAR YellowScan Mapper para cartografía aérea
Limitaciones de penetración en el suelo y en superficies sólidas
El LiDAR destaca en la cartografía de rasgos superficiales, pero persisten las dudas sobre lo que hay debajo. Las superficies sólidas plantean retos únicos que las diferencian de la vegetación o el agua en lo que respecta a la penetración del láser.
¿Puede el LiDAR ver bajo tierra? Desmontando ideas erróneas
La gente suele pensar que la tecnología LiDAR puede «ver» el subsuelo igual que cartografía el terreno bajo las copas de los bosques. Esta comparación no resiste el escrutinio científico. Las ondas de luz se comportan de forma diferente bajo tierra: los pulsos láser que utiliza el LiDAR rebotan o son absorbidos por las superficies del suelo.
La ciencia que hay detrás de esto tiene sentido. Los árboles y la vegetación tienen huecos que permiten que algunos impulsos lleguen al suelo. El suelo y la roca crean barreras sólidas. La luz que incide sobre estas superficies es absorbida o reflejada, y apenas pasa. La ínfima cantidad que penetra devuelve señales demasiado débiles para que las detecten los equipos LiDAR estándar.
Las investigaciones demuestran que los sistemas LiDAR estándar sólo pueden alcanzar unos pocos centímetros dentro del suelo. Esto hace que la cartografía subterránea con LiDAR sea poco práctica. Las afirmaciones sobre las capacidades de cartografía subterránea del LiDAR no se ajustan a la realidad.
Capacidad de penetración en arena y suelo
Los distintos materiales permiten diferentes niveles de penetración. El suelo seco deja penetrar mejor la luz que los materiales densos o rocosos. Éstos son los principales factores que determinan la profundidad que puede alcanzar el LiDAR:
- 1. Contenido de humedad del suelo: El agua absorbe los impulsos láser y reduce su fuerza, lo que dificulta la localización de objetos bajo tierra
- 2. Densidad del material: Los materiales menos compactos permiten que la luz penetre algo más
- 3. Sensibilidad de los sensores: Unos sensores mejores podrían captar señales débiles de capas más profundas
Los algoritmos de calibración y procesamiento de datos ayudan a aumentar la precisión cartográfica a pesar de la escasa penetración. Incluso los sistemas LiDAR comerciales especializados rara vez penetran más de unos pocos centímetros en las superficies típicas del suelo.
Tecnologías alternativas para la cartografía del subsuelo
Las limitaciones subterráneas del LiDAR han dado lugar a mejores opciones de cartografía del subsuelo:
El Radar de Penetración en el Suelo (GPR) está a la cabeza. El GPR utiliza impulsos de radar en lugar de luz para crear imágenes de lo que hay bajo tierra. Así se obtienen imágenes más claras de los elementos enterrados que con otros métodos.
El sistema «Exodigo» muestra lo que es posible con la tecnología moderna. Combina GPR, topografía electromagnética, tecnología magnética e imágenes 3D de alta resolución con procesamiento de IA. Esto crea mapas subterráneos detallados sin excavar, encontrando líneas de servicios tanto conocidas como ocultas.
Los métodos electromagnéticos funcionan mejor para encontrar materiales conductores, como metales y ciertos minerales. Las imágenes de resistividad distinguen los materiales en función de la resistencia eléctrica. Los estudios sísmicos llegan a mayor profundidad que el GPR, pero no muestran tantos detalles, por lo que son ideales para cartografiar estructuras geológicas de mayor tamaño.
Nube de puntos de la zona costera cartografiada con el sistema de datos batimétricos LiDAR
Puntos clave sobre la capacidad de penetración del LiDAR
La tecnología LiDAR funciona bien en superficies de todo tipo, pero su capacidad de penetración varía mucho según las propiedades del material y las condiciones ambientales. Los sistemas LiDAR modernos utilizan longitudes de onda especializadas y un procesamiento de señales avanzado para lograr resultados impresionantes. Estos sistemas pueden penetrar hasta 25 metros en agua clara y detectar superficies de tierra a través de espesas copas de árboles con tasas de éxito del 10-30%.
Los principios básicos de la física crean algunos límites inalterables. Las superficies sólidas bloquean la penetración del láser casi por completo, lo que significa que la penetración en el suelo sólo alcanza unos pocos centímetros. El clima también desempeña un papel importante. La lluvia intensa reduce el alcance efectivo en un 15-20%, y la niebla densa puede reducir las capacidades hasta en un 50%.
El LiDAR brilla en usos específicos, al tiempo que muestra dónde necesitamos otras tecnologías para realizar el trabajo. Esta tecnología destaca en los levantamientos batimétricos, el análisis de la estructura forestal y la vigilancia atmosférica. La cartografía del subsuelo necesita herramientas diferentes, como el radar de penetración en el suelo o los métodos electromagnéticos.
Los profesionales que conocen estos puntos fuertes y límites pueden elegir las herramientas adecuadas que necesitan. La tecnología LiDAR sigue mejorando, sobre todo en el procesamiento de señales y la sensibilidad de los sensores. Esto amplía lo que puede hacer mientras trabaja dentro de unos límites físicos.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la eficacia del LiDAR para penetrar en diferentes superficies?
El LiDAR es muy eficaz para penetrar en determinadas superficies, sobre todo en la vegetación y el agua. Puede crear mapas 3D detallados de zonas con vegetación densa y penetrar hasta 25 metros en condiciones de agua clara. Sin embargo, no puede penetrar en superficies sólidas como el suelo o las paredes más allá de unos pocos centímetros.
¿Puede el LiDAR ver a través de las copas de los árboles?
En realidad, el LiDAR no «ve a través» de las copas de los árboles, pero puede detectar huecos en el follaje que permiten que algunos impulsos láser lleguen al suelo. En las selvas tropicales densas, normalmente entre el 10% y el 30% de los impulsos LiDAR atraviesan con éxito el dosel para llegar al suelo.
¿Cómo afecta el clima al rendimiento del LiDAR?
Las condiciones meteorológicas afectan significativamente al rendimiento del LiDAR. La lluvia intensa puede reducir el alcance efectivo entre un 15 y un 20%, mientras que la niebla densa puede provocar una reducción de la capacidad de hasta un 50%. Sin embargo, algunos sistemas LiDAR pueden rendir mejor que la visión humana en determinadas condiciones de niebla.
¿Cuáles son las limitaciones del LiDAR en la cartografía subterránea?
El LiDAR tiene graves limitaciones para la cartografía subterránea. Sólo puede penetrar en el suelo unos pocos centímetros como máximo, lo que lo hace poco práctico para la cartografía del subsuelo. Las tecnologías alternativas, como el Radar de Penetración en el Suelo (GPR), son más eficaces para la visualización subterránea.
¿Cómo se comporta el LiDAR en entornos acuáticos?
El LiDAR batimétrico, que utiliza impulsos láser verdes (longitud de onda de 532 nm), puede penetrar eficazmente en la superficie del agua. En condiciones excepcionalmente claras, puede alcanzar profundidades de hasta 25 metros. Sin embargo, factores como la turbidez del agua, las condiciones de la superficie y la reflectividad del fondo pueden limitar su eficacia.
