Sistemes lidar (radar laser) d'ona contínua i baixa potència per a la detecció i mesura de concentració de gasos amb resolució espacial

The present project has performed the study and development of a new technique for the detection of gases with range resolution. This technique called FMCW-lidar is a technique that evolves from the FMCW-radar technique to be applied to lidar systems. Moreover, it takes advantage of the appearance of spectral absorption lines because of the interaction between light and gases to tune the light wavelength of a laser emitter with one of this spectral lines and then detects the backscattered light and analyzes it in order to obtain gas concentration measurements. The first part of the project consisted in the analysis of the WMS technique which is a technique for the in-situ measurement of gases. A complete theoretical analysis has been performed and some experiments have been carried out in order to test the technique and to validate its application to an FMCW-modulated system for the detection of gases. The second part of the project consisted in the analysis of the lidar FMCW technique for solid target detection and its extension to continuous media. The classical form of this technique has been analyzed for a distributed medium and a filtering effect has been found which prevents the accurate acquisition of the medium response. A modification of the technique has been proposed and a validation via simulations and some experiments has been carried on. After performing these tests, a novel system is proposed to be developed and tested in order to perform the indicated gas detection with range resolution.

Comparació de la tecnologia LiDAR vers els mètodes tradicionals d’inventari forestal, a la finca La Vall de Benifallet, al Baix Ebre

L’inventari forestal és una eina molt important per obtenir la informació necessària, sobre una massa arbrada, respecte a la seva situació actual i la seva possible evolució en el temps, a fi i efecte de poder prendre les decisions necessàries sobre la seva planificació i gestió. Amb aquest treball s’ha volgut avaluar la possible millora que es pot obtenir aplicant les noves tecnologies en la realització dels inventaris forestals, com la tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging). El mètode tradicional de realitzar un inventari forestal, consisteix en anar a camp i prendre dades d’unes mostres representatives, de les variables dasomètriques que caracteritzen una massa forestal. La tecnologia LiDAR és un sistema de teledetecció que calcula distàncies a partir de, la mesura del temps entre l’emissió d’un làser polsat i el seu retorn desprès de la seva reflexió en tocar terra. El resultat és un núvol de punts a diferents alçades, amb el qual s’aconsegueix un Model Digital del Terreny (MDT) i un Model Digital de Superfície (MDS). De la resta d’aquests dos models s’obté una imatge de l’estructura vertical de la vegetació, a partir de la qual es poden deduir dades bàsiques del bosc amb mesures per tot el territori. L’àrea d’estudi on es va dur a terme el present treball, és una finca del terme municipal de Benifallet, al Baix Ebre, província de Tarragona. L’estudi ha consistit en la comparació dels dos mètodes, tradicional i LiDAR, a l’hora d’obtenir les variables de densitat, alçada i fracció de cabuda coberta (FCC). El mètode tradicional consisteix en mesurar les variables en 24 parcel•les representatives i posteriorment, en extrapolar-les als estrats, que són les unitats en que es divideix la part de la finca on es realitza l’inventari. En el mètode utilitzant la tecnologia LiDAR, s’utilitzen dos tipus de resolucions (8 píxels i 24 píxels) a l’hora de treballar amb les dades

Generación de mapas digitales de vegetación a nivel de parcela mediante la utilización de un escáner láser terrestre (LIDAR)

El present projecte final de carrera s'engloba dins de l'àmbit de l'Agricultura de Precisió (AP). La qual es presenta com una resposta als nous condicionants i reptes existents que giren entorn a l'agricultura, entre el quals caldria citar: la seguretat, el respecte del medi ambient, la qualitat i l'augment de la competitivitat dins del sector agrícola. Per tant, per fer front davant d'aquest escenari, cal plantejar-se una nova manera d'entendre l'agricultura. El principal fonament de la AP es basa en la necessitat de dur a terme totes les accions agrícoles tenint en compte la variabilitat inherent que existeix a les parcel·les. Doncs bé, el present treball es realitza en una plantació de vinya. Concretament s'utilitza una tecnologia làser capaç de caracteritzar la vegetació del cultiu i posteriorment, mitjançant l'ús d'eines matemàtiques, s'arriba a la generació de mapes de vegetació juntament amb la creació de diferents zones de maneig. Per tant, el resultat d'aquest treball és posar a disposició de l'agricultura una metodologia capaç de generar mapes de vegetació, que serviran de base per a l'aplicació dels diferents insums, tenint en compte la variabilitat intraparcelària.

Estimación de la superficie foliar en viña mediante el uso de un escáner láser (LIDAR)

El present treball, pretén presentar una nova metodologia per a l'estimació de la superfície foliar en vinya mitjançant l'ús d'un sensor làser terrestre (LIDAR). Per a fer això, prèviament va tindre lloc una recollida de dades del camp en una parcel·la de vinya a Raïmat. Posteriorment, en gabinet es va realitzar un anàlisi de les dades per tal d'estimar a partir de diferents paràmetres, la superfície foliar existent en cadascún dels trams on van tindre lloc les mesures. Finalment, un cop obtinguts els resultats a partir del sensor terrestre, es van comparar amb els proporcionats per un sensor remot.

Bioinspired electronic white cane implementation based on a LIDAR, a tri-axial accelerometer and a tactile belt

This work proposes the creation of a bioinspired electronic white cane for blind people using the whiskers principle for short-range navigation and exploration. Whiskers are coarse hairs of an animal's face that tells the animal that it has touched something using the nerves of the skin. In this work the raw data acquired from a low-size terrestrial LIDAR and a tri-axial accelerometer is converted into tactile information using several electromagnetic devices configured as a tactile belt. The LIDAR and the accelerometer are attached to the user’s forearm and connected with a wire to the control unit placed on the belt. Early validation experiments carried out in the laboratory are promising in terms of usability and description of the environment.

Innovative LIDAR 3D dynamic measurement system to estimate fruit-tree leaf area

In this work, a LIDAR-based 3D Dynamic Measurement System is presented and evaluated for the geometric characterization of tree crops. Using this measurement system, trees were scanned from two opposing sides to obtain two three-dimensional point clouds. After registration of the point clouds, a simple and easily obtainable parameter is the number of impacts received by the scanned vegetation. The work in this study is based on the hypothesis of the existence of a linear relationship between the number of impacts of the LIDAR sensor laser beam on the vegetation and the tree leaf area. Tests performed under laboratory conditions using an ornamental tree and, subsequently, in a pear tree orchard demonstrate the correct operation of the measurement system presented in this paper. The results from both the laboratory and field tests confirm the initial hypothesis and the 3D Dynamic Measurement System is validated in field operation. This opens the door to new lines of research centred on the geometric characterization of tree crops in the field of agriculture and, more specifically, in precision fruit growing.

Ultrasonic and LIDAR sensors for electronic canopy characterization in vineyards: advances to improve pesticide application methods

Canopy characterization is a key factor to improve pesticide application methods in tree crops and vineyards. Development of quick, easy and efficient methods to determine the fundamental parameters used to characterize canopy structure is thus an important need. In this research the use of ultrasonic and LIDAR sensors have been compared with the traditional manual and destructive canopy measurement procedure. For both methods the values of key parameters such as crop height, crop width, crop volume or leaf area have been compared. Obtained results indicate that an ultrasonic sensor is an appropriate tool to determine the average canopy characteristics, while a LIDAR sensor provides more accuracy and detailed information about the canopy. Good correlations have been obtained between crop volume (CVU) values measured with ultrasonic sensors and leaf area index, LAI (R2 = 0.51). A good correlation has also been obtained between the canopy volume measured with ultrasonic and LIDAR sensors (R2 = 0.52). Laser measurements of crop height (CHL) allow one to accurately predict the canopy volume. The proposed new technologies seems very appropriate as complementary tools to improve the efficiency of pesticide applications, although further improvements are still needed.

Measuring oscillating walking paths with a LIDAR

This work describes the analysis of different walking paths registered using a Light Detection And Ranging (LIDAR) laser range sensor in order to measure oscillating trajectories during unsupervised walking. The estimate of the gait and trajectory parameters were obtained with a terrestrial LIDAR placed 100 mm above the ground with the scanning plane parallel to the floor to measure the trajectory of the legs without attaching any markers or modifying the floor. Three different large walking experiments were performed to test the proposed measurement system with straight and oscillating trajectories. The main advantages of the proposed system are the possibility to measure several steps and obtain average gait parameters and the minimum infrastructure required. This measurement system enables the development of new ambulatory applications based on the analysis of the gait and the trajectory during a walk.

Discriminating crop, weeds and soil surface with a terrestrial LIDAR sensor

In this study, the evaluation of the accuracy and performance of a light detection and ranging (LIDAR) sensor for vegetation using distance and reflection measurements aiming to detect and discriminate maize plants and weeds from soil surface was done. The study continues a previous work carried out in a maize field in Spain with a LIDAR sensor using exclusively one index, the height profile. The current system uses a combination of the two mentioned indexes. The experiment was carried out in a maize field at growth stage 12–14, at 16 different locations selected to represent the widest possible density of three weeds: Echinochloa crus-galli (L.) P.Beauv., Lamium purpureum L., Galium aparine L.and Veronica persica Poir.. A terrestrial LIDAR sensor was mounted on a tripod pointing to the inter-row area, with its horizontal axis and the field of view pointing vertically downwards to the ground, scanning a vertical plane with the potential presence of vegetation. Immediately after the LIDAR data acquisition (distances and reflection measurements), actual heights of plants were estimated using an appropriate methodology. For that purpose, digital images were taken of each sampled area. Data showed a high correlation between LIDAR measured height and actual plant heights (R2 = 0.75). Binary logistic regression between weed presence/absence and the sensor readings (LIDAR height and reflection values) was used to validate the accuracy of the sensor. This permitted the discrimination of vegetation from the ground with an accuracy of up to 95%. In addition, a Canonical Discrimination Analysis (CDA) was able to discriminate mostly between soil and vegetation and, to a far lesser extent, between crop and weeds. The studied methodology arises as a good system for weed detection, which in combination with other principles, such as vision-based technologies, could improve the efficiency and accuracy of herbicide spraying.

Maneig de les dades d'un escàner làser (LiDAR) per a l'obtenció de paràmetres vegetatius en fruiters (perera) i vinya

Aquest projecte té com a finalitat desenvolupar un sistema no destructiu per a la caracterització de les plantacions de vinya i d’arbres fruiters mitjançant la utilització d’un sensor làser (LiDAR - Light Detection and Ranging). La informació obtinguda ha de permetre estudiar la resposta del cultiu a determinades accions (poda, reg, adobs, etc.); i també realitzar tractaments fitosanitaris adaptats a la densitat foliar del cultiu. La posada a punt del sistema (software i hardware) es va realitzar a escala reduïda mitjançant proves de laboratori sobre un arbre ornamental. Obtenint la configuració del sensor LiDAR més adequada i la calibració de tot el sistema. L’any 2004 van realitzar assajos en plantacions de pomera, perera, cítrics i vinya. L’objectiu era posar a prova el sistema i obtenir dades dels cultius. Amb la introducció de canvis i millores en el sistema i en la metodologia de treball, l’any 2005 es van realitzar nous assajos, però només en perera Blanquilla i en vinya Merlot. En tots els assajos s’escanejaven unes franges de vegetació concretes i posteriorment es desfullaven manualment per a calcular-ne l’Índex d’Àrea Foliar (IAF). Les dades obtingudes amb el sensor LiDAR s’han analitzat mitjançant l’aplicació de la metodologia desenvolupada per Walklate et al.(2002) i s’han obtingut determinats paràmetres vegetatius de cultiu, que posteriorment s’han correlacionat amb l’Índex d’Àrea Foliar (IAF) obtingut de forma experimental. La capacitat de predicció de l’Índex d’Àrea Foliar (IAF) per part dels diferents paràmetres calculats es diferent en cada cultiu, essent necessàries més proves i major nombre de dades a fi d’obtenir un model fiable per a l’estimació de l’IAF a partir de les lectures del sensor LiDAR. L’estudi de la variabilitat de la vegetació mitjançant l’anàlisi de la variabilitat del Tree Area Index (TAI) al llarg de la fila ha permès determinar el nombre mínim necessari d’escanejades acumulades per a l’estimació fiable de l’Índex d’Àrea Foliar. Finalment s’ha estudiat la incidència de l’alçada de col•locació del sensor LiDAR respecte la vegetació.