The Use of Lidar Images in Costa Rica: Case Studies Aplied in Geology, Enginneering, and Archeology

[摘要] Tecnología lídar La palabra lídar proviene del acrónimo en inglés Laser Imaging Detection and Ranging, que en español se podría expresar como “detección de imágenes por láser y distancia”. Se trata de una tecnología de sensores remotos con múltiples usos, de los cuales los más frecuentes son cartografiar la topografía de superficies extensas cuando es aerotransportado, o bien pequeñas zonas u objetos cuando se usa en tierra. Existe desde hace varias décadas, pero ha sido en los últimos quince años que al complementarse con otras tecnologías (GPS, computadoras personales poderosas, fotografía digital de gran formato, y software amigable) ha evolucionado hasta el punto de poder generar modelos de elevación digital (MED) con niveles de detalle y resolución en el orden de centímetros a milímetros.El fundamento de la tecnología lídar está en medir distancias iluminando un objetivo con un rayo láser y posteriormente analizando la luz reflejada e información generada en ese objetivo. Cada dato o punto generado con lídar por sí solo no tiene mucha utilidad; sin embargo al unir los millones de puntos generados a partir de un barrido con un escáner láser en un área específica, se pueden recrear superficies en tres dimensiones con las que posteriormente se puede trabajar.Esta tecnología tuvo pocas aplicaciones inicialmente, y estuvo restringida a los campos de la milicia y la meteorología. Actualmente se utiliza en campos como geología, geomorfología, ingenierías civil y forestal, arqueología, hidrología y arquitectura, entre otros (Romano, 2004). A pesar de la apertura de esta tecnología en otros campos, los costos económicos que implican su adquisición y uso, siguen siendo altos y son una limitante, especialmente para países en vías de desarrollo, donde su uso práctico enfocado en proyectos para disminuir el riesgo y la vulnerabilidad podría ser clave.Recientemente, entidades internacionales como el Banco Mundial, han facilitado la implementación de esta tecnología para ayudar a tomar decisiones que reduzcan el riesgo y vulnerabilidad en países con pocos recursos. Para los planes de reconstrucción de Haití después del Terremoto de Puerto Príncipe (Mw 7,2; 12/01/2010), se utilizaron imágenes lídar aéreas, para determinar las zonas más susceptibles a tener deslizamientos disparados por exceso de lluvia y movimientos sísmicos (Mora et al., 2012).En el caso específico de Costa Rica, instituciones académicas de Estados Unidos han realizado investigaciones arqueológicas con lídar desde la década de 1980 (Sheets et al., 1991). Las experiencias más recientes con lídar aéreo en Costa Rica fueron motivadas al igual que en Haití por los efectos de un terremoto; en este caso el de Cinchona (Mw 6,2; 01/08/2009). Los resultados de esta experiencia abrieron la puerta para que instituciones como la Comisión Nacional de Emergencias (CNE) y el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) continuaran haciendo estudios de este tipo en diferentes zonas del país. En el año 2010, el Lanamme-UCR adquirió un escáner lídar terrestre para evaluar deslizamientos, taludes y otros elementos que puedan afectar la red vial nacional. Además, se han explorado aplicaciones en el campo de la arqueología y la restauración patrimonial.Los principales objetivos del presente trabajo son hacer una síntesis de la evolución que ha tenido la tecnología lídar; explicar su funcionamiento y los tipos de equipos que existen actualmente en Costa Rica; exponer los antecedentes y algunos casos de estudio que se han dado en Costa Rica, y presentar el actual uso que se le da al escáner terrestre con que cuenta el Lanamme-UCR.Evolución de la Tecnología Lídar El origen de esta tecnología se remonta a inicios de la década de 1960, poco después de la invención del láser, específicamente cuando se logró la combinación de imágenes enfocadas con láser y la capacidad del radar de poder medir distancias con base en los tiempos de retorno de sus señales (Flood, 2001).Como muchas otras tecnologías de uso común en el presente, la tecnología lídar posiblemente tuvo un origen militar, para poder generar mapas en zonas de difícil acceso. Esto no está oficialmente documentado, por lo que no existen referencias al respecto. Sin embargo, por su capacidad de poder cartografiar a través de zonas densamente vegetadas, se puede suponer su uso en lugares conflictivos como Vietnam a inicios de los setentas, Nicaragua a inicios de los ochentas, y Colombia en los noventas, entre otros.Una de las primeras aplicaciones científicas de la tecnología lídar y que eventualmente fue de carácter público, fue el cartografiado de la superficie de la Luna con un altímetro láser durante la misión Apolo 15 en 1971 (NASA, 2009). Posteriormente, sus aplicaciones en la Tierra se extendieron en diferentes campos, especialmente meteorología y la arqueología.En meteorología, el Centro Nacional de Estudios Atmosféricos de Estados Unidos (NCAR, por acrónimo en inglés) la aplicó principalmente para estudiar fenómenos atmosféricos, como la medición de concentración de gases aerosoles en la atmósfera, medición de nubes, sus estructuras y parámetros como altura, laminación, densidad, propiedades de sus partículas, temperatura, presión, humedad y velocidad del viento en diferentes capas de la atmosfera (Goyer & Watson, 1963).En Costa Rica, entre 1984 – 1987, se desarrolló y documentó uno de los primeros casos a nivel mundial de un proyecto arqueológico que contó con soporte de tecnología lídar. Fue parte de una colaboración entre la Universidad de Colorado y la NASA (más adelante se mencionan los principales hallazgos de este estudio).Para 1994, la tecnología GPS (también de origen militar), ya era completamente operacional e iniciaba a tener acceso al público, al mismo tiempo que se desarrollaban aplicaciones en el campo industrial y académico. A partir de la incorporación y cambio del radar por el GPS de alta precisión a la tecnología lídar, se lograron hacer mediciones extremadamente detalladas en los ejes x y y de coordenadas y asignar una altura respectiva z (Flood, 2001).En el siglo XXI se ha acelerado el desarrollo y aplicación del lídar debido, entre otras razones, a que se tornó más práctico, la capacidad y alcance de los equipos mejoró mucho, el tamaño de los instrumentos se ha vuelto más manejable y se logran colocar con mayor facilidad en aviones pequeños y helicópteros. También se han dado grandes avances en tecnologías complementarias como cámaras fotográficas digitales de gran resolución, que incluso pueden captar imágenes en varias bandas espectrales: los equipos de cómputo usados para almacenar la información con alta capacidad de memoria son más pequeños, veloces y económicos, así como el software para el procesado posterior de la información es más amigable, facilitando la expansión y aplicación del lídar. Con estos nuevos equipos se han iniciado trabajos en varios campos y a resolver diferentes problemas, como por ejemplo, una de las primeras experiencias comerciales que se le dio a un equipo lídar aéreo moderno en Estados Unidos, fue la de inspeccionar los corredores de las líneas de alta tensión para determinar las zonas que podrían estar siendo invadidas por vegetación (USDA, 2012), y que ya usa en Costa Rica el Instituto Costarricense de Electricidad (ICE).Generalidades del funcionamiento de la tecnología lídar El principio con el que funciona la tecnología lídar es simple: hace brillar una pequeña luz en una superficie y mide el tiempo en que tarda la luz en regresar a la fuente. Cuando se hace brillar una luz sobre una superficie, lo que uno realmente está observando es la luz reflejada y regresando a la retina del ojo. Como la velocidad de la luz es igual a 3 × 108 km/s = (V), para el ojo humano parece algo instantáneo, aunque no lo es. Por esta razón, el equipo necesario para poder realizar estas mediciones tiene que operar extremadamente rápido. Gracias a los avances tecnológicos y de computación, millones de mediciones se pueden hacer y almacenar en segundos cuando se iluminan diferentes puntos de una superficie con un equipo láser (Campbell & Wynne, 2011).La fórmula con la que trabajan estos equipos para medir cuán lejos un fotón de luz ha ido hasta un objeto y regresado (Distancia = D), es bastante simple: D = (V × Tv)/2, donde Tv es igual al tiempo de vuelo.El escáner lídar emite alrededor de 150 000 pulsos de rayos láser por segundo hacia el objeto o superficie que se quiere estudiar, un sensor mide el tiempo que le toma a cada pulso en llegar y regresar a la fuente emisora. La luz viaja a una velocidad constante y conocida, por lo que el escáner lídar puede medir la distancia entre él y la superficie con muy buena precisión. Al repetir este proceso en una sucesión rápida, el escáner va generando un mapa completo de la superficie que se está midiendo. Cuando se hace un escaneo de tipo lídar aéreo, el sensor se está moviendo a medida que la aeronave avanza, por lo que otros datos deben ser tomados en cuenta en el cálculo de las mediciones de tiempo y distancia que hace el rayo de luz (latitud, longitud, altura y orientación del instrumento), para determinar la posición del pulso láser en el momento del envío y el retorno. Esta información extra se toma con un receptor GPS de alta precisión, y una unidad de medición inercial o IMU (por sus siglas en inglés Inertial Measurement Unit), los datos tomados son cruciales para guardar la integridad y calidad de la información recopilada. Para un escáner lídar terrestre y estacionario, es suficiente tener el dato de la ubicación del escáner tomada con un GPS en cada sitio donde se hagan las mediciones (Campbell & Wynne, 2011).

[学科分类] 地质学

[关键词] /span> Lidar;geology;archeology;landslides;Pre-Hispanic sphere