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2012 INTEGRANTES: GABRIELA REYNA NATHALY ALBUJA DAVID FREIRE ING. EDUARDO KIRBY 26/11/2012 Sensores Remotos TEMA DE EXPOSICIÓN: LIDAR

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2012

INTEGRANTES:

GABRIELA REYNA

NATHALY ALBUJA

DAVID FREIRE

ING. EDUARDO KIRBY

26/11/2012

Sensores Remotos TEMA DE EXPOSICIÓN: LIDAR

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INTRODUCCIÓN

Toda una serie de denominaciones distintas y acrónimos definen la técnica LIDAR (Light Detection

And Ranging): radar de láser, radar óptico, LADAR (Laser Detection And Ranging) o (Laser Radar),

y la denominación más conocida el acrónimo LIDAR que hace referencia a un sistema que utiliza

radiación electromagnética en las frecuencias ópticas del visible e infrarrojo cercano y es capaz de

medir distancias.

LIDAR (Detección y Localización con Luz) es una técnica en la que un rayo de luz se utiliza para

medir distancias y propiedades del medio recorrido a través de las variaciones de la longitud de

onda del pulso emitido. De forma general, podemos decir que los radares laser son una extensión

directa de las técnicas radar convencionales utilizando longitudes de onda muy cortas.

Por tanto estos sensores funcionan con los mismos principios básicos que el radar (Radio Detection

And Ranging) o el sodar (Sound Detection And Ranging). La radiación utilizada por los radares laser

se corresponde con una longitud de onda de 10.000 a 100.000 veces más corta que la usada en el

radar convencional. Al trabajar con longitudes de onda mucho más cortas los radares de laser

proporcionan mayor exactitud y resolución que los sistemas radar.

Podemos considerar distintos tipos de sensores LIDAR, por un lado los Lidar comerciales utilizados

en aplicaciones topográficas, batimétricas y terrestres y basadas en las mediciones de distancia

desde el propio sensor a un determinado objeto o blanco y que son los más simples. Los sistemas

laser modernos combinan la capacidades radar y un sistema óptico para permitir la medida

simultanea de la distancia, factor de reflexión, velocidad, temperatura, azimut, y ángulo de elevación

de un objeto o blanco.

Por otro lado, los Lidar utilizados en aplicaciones científicas, llevados a cabo a través de programas

nacionales de investigación y desarrollo de sensores remotos, como por ejemplo los desarrollados

por la NASA (Nacional Aeronautics and Space Administration), que miden las propiedades de la

atmosfera terrestre con técnicas como la absorción diferencial o DIAL (Diferencial Absortion Lidar)

empleados en la medida de concentraciones químicas, tales como el ozono y vapor de agua

encontramos en la atmosfera.

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MARCO TEÓRICO

La tecnología LIDAR es resultado de la integración las tecnologías GPS, Unidad de Medición Inercial y sensor láser, se utiliza para la colecta de datos de altitud. Estos datos sirven para definir la superficie del terreno y generar Modelos Digitales de Elevación (MDE). El levantamiento LIDAR tiene ventajas sobre la captura con métodos convencionales: requiere de mínimo control geodésico en tierra, los datos tienen una mayor densidad y una mayor precisión.

FUNDAMENTOS BÁSICOS DE MEDIDA

El sensor Lidar es un sensor activo que transmite luz hacia un objeto o blanco normalmente en el

transmitido, generado por un equipo láser, interactúa con el blanco objeto y cambia sus

características.

Estos cambios producen una nueva luz reflejada o dispersada con dirección de vuelta al sensor

donde es registrada por un telescopio que la dirige a un detector para su posterior análisis. Los

cambios en las propiedades de la luz, como su intensidad o color, nos permiten determinar

algunas propiedades de la atmosfera o medio atravesado. Por último, la medida del tiempo que

tarda la luz en el camino de ida y vuelta se usa para determinar la distancia la distancia entre el

sensor y el blanco u objeto iluminado.

Las aberturas del transmisor y receptor se montan de forma las trayectorias emitidas y recibidas

compartan la misma trayectoria óptica (los diámetros típicos son del orden de 8 a 15 cm). Esto

asegura que la superficie objeto de los puntos iluminados por el láser define el campo de vista FOV

del receptor óptico. La estrecha divergencia del rayo láser define el campo de vista instantáneo

(IFOV). Los valores típicos del IFOV o divergencia del rayo son del orden de 0,2 mrad a 2 mrad.

El límite físico teórico del IFOV es determinado por la difracción de la luz, lo que ocasiona una

imagen borrosa. Por tanto, el IFOV es función de la abertura de transmisión D y de la longitud de

onda de la luz. Para luz espacialmente coherente el límite por difracción del IFOV es:

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El IFOV de la óptica del receptor no debe ser más pequeño que el rayo láser transmitido. Debido al

muy estrecho IFOV del láser, el rayo óptico al moverse en la dirección de vuelo proporciona la

segunda dimensión del rayo de la fuente láser.

FUNCIONAMIENTO

El LIDAR aerotransportado, es un sensor activo que consta de un telémetro emisor de luz láser y de un espejo que desvía el haz perpendicularmente a la trayectoria del avión, generando una serie de pulsos de luz que al entrar en contacto con los objetos o el terreno refleja al sensor parte de la energía del pulso emitido. Una característica distintiva de los retornos en zonas de vegetación es que éstos se pueden producir a diferentes niveles, siendo posible que el último retorno se produzca al nivel del terreno.

Para la generación de la nube de puntos, se eliminan los retornos que presentan anomalías altimétricas (puntos altos y bajos); enseguida los puntos de la nube se comparan con puntos de control terrestre con el objeto de reducir errores sistemáticos en altura; finalmente, se aplica un proceso de ajuste entre líneas que permite reducir otros errores a fin de procurar la redundancia en áreas de sobre posición.

PROCESO LIDAR

Intervienen:

Operaciones Aéreas: Diseño y ejecución de vuelo para la captura de datos LIDAR. Geodesia: Establecimiento de control terrestre, control de calidad, generación y ajuste de

la nube de puntos.

Existen en el mercado gran variedad de sistemas Lidar que trabajan con longitudes de onda comprendidas entre los valores de 500 a 1600nm aproximadamente, siendo los valores típicos 1040 a 1060 nm en equipos para aplicaciones topográficas y de 800 a 1060 en equipos dedicados a levantamientos batimétricos.

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Además de la medida de distancias los sistemas Lidar se utilizan en otras aplicaciones como son la medida de velocidades de vehículos de todo tipo, medidas de angulares y medidas de concentraciones o elementos químicos en la atmosfera etc. Dando lugar a una clasificación en cuatro grupos principales:

A su vez los sensores activos Lidar se montan en distintas plataformas que pueden ser espaciales, terrestres y aerotransportadas.

Los sistemas Lidar a través de sus distintas técnicas nos proporcionan información que se aplican al conocimiento de las ciencias de la Tierra ya sean en la atmosfera, sobre tierra y en los océanos. Como aplicaciones más generales podemos indicar la medida de polución y composición atmosférica (aerosoles, nubes, composición de CO2, etc); la medida y evaluación de velocidad real del viento, así como su dirección.

CLASIFICACIÓN

Por tipo de láser:

LIDAR de pulsos. El proceso para la medición de la distancia entre el sensor y el terreno se lleva cabo mediante la medición del tiempo que tarda un pulso desde que es emitido hasta que es recibido. El emisor funciona emitiendo pulsos de luz.

LIDAR de medición de fase. En este caso el emisor emite un haz láser continuo. Cuando recibe la señal reflejada mide la diferencia de fase entre la emitida y la reflejada. Conocida esta solo hay que resolver el número de longitud de ondas enteras que ha recorrido (ambigüedades).

Aplicaciones atmosfericas

Aplicaciones batimetricas

Aplicaciones Topograficas

Aplicaciones Terrestres o Industriales

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Por tipo de escaneado:

Líneas. Dispone de un espejo rotatorio en una solo sentido que va desviando el haz láser. Produce líneas paralelas en el terreno como patrón de escaneado. El inconveniente principal de este sistema es que al girar el espejo en una sola dirección no siempre tenemos mediciones.

Zigzag. En este caso el espejo es rotatorio en dos sentidos (ida y vuelta). Produce líneas en zigzag como patrón de escaneado. Tiene la ventaja de que siempre está midiendo pero al tener que cambiar de sentido de giro la aceleración del espejo varía según su posición. Esto hace que en las zonas cercanas al límite de escaneado lateral (donde varia el sentido de rotación del espejo), la densidad de puntos escaneados sea mayor que en el nadir.

De fibra óptica. Desde la fibra central de un cable de fibra óptica y con la ayuda de unos pequeños espejos, el haz láser es desviado a las fibras laterales montadas alrededor del eje. Este sistema produce una huella en forma de una especie de circunferencias solapadas. Al ser los espejos pequeños, la velocidad de toma de datos aumenta respecto a los otros sistemas pero el ángulo de escaneado (FOV) es menor.

Elíptico (Palmer). En este caso el haz láser es desviado por dos espejos que producen un patrón de escaneado elíptico. Como ventajas del método podemos comentar que el terreno es a veces escaneado desde diferentes perspectivas aunque el tener dos espejos incrementa la dificultad al tener dos medidores angulares.

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COMPONENTES SISTEMA LIDAR

Los componentes del LIDAR son:

Las medidas obtenidas por los tres componentes principales, ALS, GPS y IMU, se toman con una misma etiqueta de tiempos acorde con el GPS. De esta forma después se pueden relacionar fácilmente en el cálculo posterior.

El sistema Lidar obtiene también la siguiente información.

Por cada pulso emitido puede captar 2 o más ecos. Esto nos permite recoger información a diferentes alturas. Por ejemplo, si estamos sobrevolando una zona arbolada, el primer eco puede responder a la copa de los árboles y el último a la superficie terrestre.

La intensidad reflejada. Puede ser muy útil para la clasificación posterior

COMPONENTES DE HARDWARE BÁSICOS DE UN SISTEMA LIDAR

- ALS Escáner Láser Aerotransportado. Emite pulsos de luz infrarroja que servirán para determinar la distancia entre el sensor y el terreno.

- GPS Diferencial. Mediante el uso de un receptor en el avión y uno o varios en estaciones de control terrestres (en puntos de coordenadas conocidas), se obtiene la posición y altura del avión.

- INS Sistema Inercial de Navegación. Nos informa de los giros y de la trayectoria del avión.

- Cámara de video digital (opcional), que permite obtener una imagen de la zona de estudio, que servirá para la mejor interpretación de los resultados. Esta puede montarse en algunos sistemas junto al ALS.

- Medio aéreo. Puede ser un avión o un helicóptero. Cuando se quiere primar la productividad y el área es grande se utiliza el avión, y cuando se quiere mayor densidad de puntos se usa el helicóptero, debido a que este puede volar más lento y bajo.

Su propósito es generar los pulsos de luz y dirigirlos al blanco, la atmósfera, el océano, etc. Las propiedades de un pulso láser son una baja divergencia del rayo, una anchura espectral muy estrecha e intensos y cortos pulsos que proporcionan ventajas como fuente del LIDAR.

TRANSMISOR

Recoge y procesa la señal luz devuelta obtenida por dispersión, reflexión o colimación y la dirige a un fotodetector, convierte la señal luminosa en una señal eléctrica.

RECEPTOR

Una vez capturado el rayo, la luz es procesada de diferentes formas y enviada al sistema detector.

El detector es el registrador es un dispositivo electrónico que procesa y graba la señal eléctrica. La tarea del receptor acompañado del amplificador es detectar el eco o ecos produciodos, y sobre todo el extremo inicial y final del pulso.

DETECTOR

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SISTEMA DE POSICIONAMIENTO Y ORIENTACIÓN DEL LIDAR

Los altímetros laser (laser scanning) proporcionan coordenadas tridimensionales (x,y,z) mediante un barrido laser de una serie de puntos terreno, distribuidos según perfiles perpendiculares a la línea de vuelo. Esta tecnología emergente permite la generación del MDE (Modelo Digital de Elevaciones) y MDS (Modelo Digital de Superficie) de gran calidad en la actualidad, además de un modelo de intensidades.

El sistema lo componen las siguientes unidades:

Con el sistema LIDAR los puntos de un perfil del terreno se obtienen de medidas de distancia según una dirección vertical óptica por pulsos laser desde una plataforma aérea. Por tanto, la posición (x,y,z)desde la que se miden las distancias al terreno debe ser conocida tan bien como la dirección del vector distancia. En otras palabras la orientación del sensor depende de la precisión del levantamiento aéreo, y debe obtenerse con gran exactitud.

CÁLCULO DE PUNTOS LASER

Después del vuelo Lidar con el sistema integrado de sensores, obtenemos dos conjuntos datos:

Datos del sistema IMU-DGPS Distancias laser con los ángulos de barrido o escaneado instantáneo

Suponiendo que el sistema de posicionamiento y operación proporciona exactitudes del orden de 1dm en posición y de 0,02° en orientación se pueden determinar con un cálculo elaborado puntos muy precisos sobre la superficie de la tierra en el sistema de referencia fijo a la Tierra.

Sin embargo deben tenerse en cuenta algunos parámetros sistemáticos en el cálculo, estos son:

Un escaner Laser y unidad de refrigeración

Receptores GPS, uno instalado en el avión y otro en una

Una Unidad de Navegación Inercial (INS)

Unidad de almacenamiento y proceso

Algunos sistemas añaden una cámara digital o de video

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Los tres ángulos de la plataforma del escáner laser descrito por los ángulos de Euler con respecto al sistema de coordenadas fijo a la plataforma

La posición del escáner laser respecto del IMU La posición del IMU respecto del GPS

Estos datos se denominan parámetros de calibración y pueden determinarse de un levantamiento con escáner laser volando áreas de referencia en diferentes direcciones.

Normalmente cada firma Lidar tiene su propio procedimiento, por tanto, los puntos laser en WGS84 pueden calcularse a partir de tres conjuntos de datos:

Datos de calibración y parámetros de la plataforma Medidas de distancias laser con sus respectivos ángulos de escaneado Datos de sistema de posicionamiento y orientación DGPS-INS

Posteriormente se procede al cálculo de la nube de puntos de puntos laser distribuidos aleatoriamente en elevaciones y posición. La distribución de los puntos medidos depende del patrón de escaneado del sistema de escáner laser.

La nube de puntos se genera en archivos binarios en formato LAS, que corresponde a un estándar abierto para el intercambio de datos de LIDAR entre generadores y usuarios; es de tipo binario y su uso es alternativo a formatos de sistemas propietarios y genéricos de intercambio ASCI.

NUBE DE PUNTOS Es un conjunto de puntos con posición tridimensional obtenidos a través de tecnología LiDAR. Adicionalmente a las coordenadas X, Y, Z, se cuenta con información característica de este tipo de sistemas que corresponde a los atributos de intensidad, clasificación, número de retorno y tiempo de captura GPS, entre otros. La nube de puntos es un insumo para la generación de MDE.

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La nube de puntos en formato LAS es útil para la generación de imágenes de intensidad; tiene una amplia utilidad para la clasificación y filtrado (automático y manual) de puntos del terreno y los ubicados por encima de éste. Es el insumo principal para la generación de MDE LIDAR en formato vectorial como el TIN (Triangulated Irregular Network) o en ráster como una malla regular de datos de elevación.

Por su parte, los MDE generados con la nube de puntos LIDAR son útiles, entre otras aplicaciones para:

Modelación altimétrica (mapas de pendientes, secciones, desniveles)

Prevención y atención de desastres naturales

Definición de áreas sujetas a inundación

Generación de curvas de nivel

Estudios hidráulicos e hidrológicos; trazo de cauces de agua (Hidrografía)

Diseños de ingeniería civil

Animaciones dinámicas en 3D

Una de las ventajas principales del LIDAR es que permite la obtención tanto de modelos digitales del terreno (MDT) como de modelos de elevaciones (MDE), y por lo tanto, que permitirá la cartografía de múltiples elementos que no era posible capturarlos de forma remota hasta el momento.

La forma de obtener los diferentes modelos digitales es gracias a los múltiples ecos recibidos y analizados que dan información sobre las diferentes superficies que el rayo láser va encontrando a su paso. En la mayoría de los casos, los últimos pulsos definirán la superficie terrestre, mientras que los primeros corresponderán a elementos situados sobre dicha superficie.

Aplicaciones para imágenes generadas por LIDAR incluye

Topografía y minería

Exploración minera.

Mapeo de barrido de

infraestructuras y

geografía

Modelado urbano de

alta precisión

Cartografía lacustre, fluvial y litoral

Agricultura y silvicultura Levantamien

to de líneas de

transmisión y

distribución

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Precisiones Generalmente se habla de unas precisiones de 15 cm en altimetría y de 50-100 cm en planimetría, pero existen una serie de notas que hay que tener en cuenta cuando se habla de precisiones de un sistema lidar:

TRATAMIENTO DE DATOS LIDAR

Las coordenadas de los puntos laser se obtienen calculando la trayectoria del avión en el sistema

de referencia WGS84 (ETRS89) a partir de los datos GPS- INS recogidos por el avión y de los datos

GPS de las estaciones de referencia. Esta orientación directa determina directamente la

planimetría, en cambio la altimetría se ajusta con la observación de las áreas de control MDT en

campo con la finalidad de compensar los errores sistemáticos de la altitud.

En el cálculo de la trayectoria GPS-INS se trata de combinar para cada día de vuelo los datos

recogidos en como mínimo dos estaciones de referencia fijas con los del avión mediante el

software cinemático adecuado según el sistema IMU-DGPS de trabajo, realizándose a

continuación una integración con los datos inerciales mediante la aplicación del algoritmo de

Kalman, de forma que obtenemos los ángulos de orientación (roll, pitch, heading). En este proceso

se incorporan los vectores desplazamiento entre los sensores (offsets) y rotaciones que relacionan

los sistemas de referencia del sensor inercial y el láser , así como la posición de la antena GPS del

avión. El resultado final del cálculo es la posición (x,y,z) y orientación del avión (roll, pitch,

Precisiones

Las especificaciones de las casas comerciales, se deducen de muestras estadísticas y se toman para valores de fiabilidad del 68 %. No suele hablarse de valores de precisión para niveles de confianza del 90 % ó 95 %, que es lo deseado en un proyecto real.

Es común encontrarse las precisiones calculadas como media entre los valores obtenidos a partir del máximo y mínimo ángulo de escaneo, mientras que la precisión disminuye a medida que aumenta el ángulo de escaneo.

La precisión se obtiene a partir del sistema de referencia del GPS, y no se toman en cuenta los errores derivados del modelado del geoide.

Los análisis de la precisión se obtienen de la comparación de las medidas de campo con los puntos de control, sin analizar cómo se han obtenido las coordenadas de éstos.

- Finalmente, decir que las precisiones de las que se habla en la mayoría de los casos son las altimétricas, mientras que no hay detalles de la planimetría.

Por todo esto, antes de trabajar con cualquier equipo, se recomienda un análisis detallado de las condiciones bajo las cuales se garantizan las precisiones que se nos ofrecen.

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heading) en coordenadas UTM y altura elipsoidal sobre WGS84 (ETRS89). La precisión interna

que se obtiene en el proceso de cálculo de la trayectoria GPS-INS es el orden de los 10cm.

CLASIFICACIÓN DE LOS PUNTOS LIDAR

La clasificación de puntos laser supone la separación de información relevante de la que no lo es.

Posteriormente al cálculo de la trayectoria y la actitud de los sensores estamos en condiciones de

realizar el proceso de edición de los puntos laser para ello se utiliza distinto software como

pueden ser los módulos (que trabajan sobre Microstation) TerraScan y TerraModeler de

Terrasolid, y también por ejemplo el programa SCOP entre otros. La edición se puede dividir en

dos procesos, el proceso de clasificación automática de los puntos y el proceso de edición manual.

El primer proceso automático es rápido ya que solo requiere tiempo de máquina, en cambio el

proceso de edición manual es proceso lento ya que requiere la presencia de operadores expertos

que visualicen bloque a bloque para la detección y corrección de las zonas donde la clasificación

automática ha fallado. El criterio de selección y solución depende de la morfología y

características del terreno, vegetación zona urbana etc. De la nube de puntos, aplicando

algoritmos de clasificación, se discriminan distintos objetos como son tierra despejada, arboles,

edificios superficies de agua cables de alta tensión. Esta información clasificada da lugar a

generar productos como el MDT, inventarios forestales, modelos de ciudades 3D, gestión costas,

monitorización de redes eléctricas etc.

El término filtrado se aplica principalmente a la extracción y generación del modelo del terreno.

Además los filtrados pueden realizarse sobre la nube de puntos en bruto o sobre una malla

regular interpolada que tiene la desventaja de los errores producidos por la interpolación básica.

Algoritmos que están implementados en los programas de clasificación comercial son:

Densificación por Redes Triangulares (TIN) progresiva:

Terrascan de TerraSolid

Interpolación robusta jerárquica: (SCOP++-Lidar)

Operadores Morfológicos; sobre nubes de puntos, y datos raster

Vecino más próximo

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Aplicaciones del sistema LIDAR

Nos encontramos frente a un sistema de innumerables aplicaciones, gracias a la rapidez con la que pueden obtenerse los resultados y a la no-dependencia del trabajo de campo. Entre otras, citaremos aquí aplicaciones cuyo método más adecuado parece ser el sistema lidar:

Ap

licac

ion

es

Generación de MDE: Se reduce el trabajo de campo de forma considerable, lo que conlleva una reducción de costes y de tiempos. Puesto que es un sistema remoto permite la generación

de modelos digitales de zonas de difícil acceso.

Estudios forestales: La recepción de múltiples ecos permite el modelado de diferentes tipos de vegetación.

Modelos tridimensionales urbanos: Los modelos digitales de superficies de las ciudades tienen diversas aplicaciones como son las telecomunicaciones (telefonía

móvil), estudio de visibilidades, gestión urbanística, etc.

Cartografía de riesgos: gracias a la rapidez y precisión en la obtención de los resultados, esta técnica se convierte en una herramienta imprescindible para la cartografía de riesgos y

desastres naturales.

Zonas costeras: tanto para zonas de arenas que son de difícil abordamiento desde la fotogrametría digital como para las zonas especialmente abruptas, de acantilados, etc.

Cartografía de elementos lineales: cartografía con gran rapidez, para el diseño de vías de comunicación, líneas eléctricas, conducciones de gas...

Cartografía de zonas de difícil acceso: Las zonas de difícil acceso terrestre suelen ser zonas de un elevado interés medioambiental, y en estos casos la aplicación de técnicas topográficas o

fotogramétricas es compleja debido a que es necesario un trabajo de campo importante. En estas situaciones el sistema LIDAR aporta grandes ventajas.

En el caso de estudios atmosféricos: se analiza la cantidad de señal que se emite y la que vuelve, de manera que se estudia la que se ha perdido. Utilizando las leyes de los gases,

relaciones hidrostáticas y demás, se calculan las diferentes propiedades atmosféricas: dispersión elástica, temperaturas...

Modificaciones del terreno por desastres naturales: Los desastres naturales de más impacto ambiental, provocan alteraciones importantes del territorio que influirán en la planificación de rescate de los afectados. La rapidez de obtención de modelos digitales

mediante sistema LIDAR permite la incorporación de los modelos actualizados en la planificación del auxilio a las víctimas.

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Bibliografía

PAPÍ, Francisco. Curso de Teledetección aplicada a la observación e información territorial. Universidad

Politécnica de Madrid.

http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/geodesia/lidar.aspx

http://www.elgeomensor.cl/indexok.php?subaction=showfull&id=1159667900&archive=&start_from=&

ucat=1

http://es.wikipedia.org/wiki/LIDAR

http://www.ipgh.org/Simposio-Riesgos-Prevencion/Files/AntonioHernandezNavarro.pdf