Aplicación de la fotogrametría con drones al monitoreo de laderas y terreno

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 96)

Rubén Sancho Gómez-Zurdo; Dr. Ingeniero de C.C.P. / Piloto Privado de Avión. Gerente en ALTIUS Geotecnia y Director Técnico en IDEA Ingeniería. Máster en Explotación y Mantenimiento de Presas. Vocal SPANCOLD.
Servando Francisco González García;Ingeniero de C.C.P.
Subdirector Provincial de Carreteras de Huesca. Dirección General de Carreteras. Gobierno de Aragón.

Se presenta este estudio de un caso de aplicación de fotogrametría con drones a un talud de carretera con tramo en túnel.

El desarrollo de los drones y la mejora de los sensores de auscultación permite su combinación en la aplicación al control deformacional de estructuras, taludes y laderas. En el presente trabajo se demuestra la viabilidad del uso de drones para el control de deformaciones analizando, para cada caso, la resolución, precisión y validación con otras técnicas, como la instalación de un sistema de auscultación automatizado de alta precisión. La técnica fotogramétrica Structure From Motion, proporciona ortofotografías precisas y modelos 3D, incluso sin conocer previamente las posiciones y los ángulos de incidencia de las fotografías. El uso de puntos de control terrestre (GCPs), así como drones con sistema “Real Time Kinematic”, son factores relevantes para obtener resultados de alta precisión. Así, se presenta el estudio de monitoreo del talud rocoso mediante tecnología dron. Los resultados muestran una precisión en deformaciones de ± 2 mm. Además, la integración en un único modelo 3D de los vuelos realizados con dron, tanto en el interior del túnel como en el talud, permitió el mapeo y correlación con alto grado de detalle de fracturas y diaclasas del macizo, lo que permitió la optimización del cálculo de estabilidad mediante elementos finitos en 3D.

1 Introducción

Los nuevos sistemas de captura de imágenes han favorecido el avance y mejora de sistemas clásicos de medición como es la fotogrametría. En este sentido, la aparición de equipos capaces de llevar diferentes sensores y ser pilotados por control remoto “RPAS o drones” ha hecho posible que la inspección de fachadas, paramentos y en general grandes estructuras, se puedan realizar con un alto grado de detalle.

La técnica Structure From Motion (SfM)(Ullman, 1979) permite emplear fotografías tomadas desde distintos ángulos y distancias, incluso sin ser conocida su posición (Nissen, Arrowsmith, & Crosby, 2010; Furukawa & Ponce, 2010).

La aplicación de técnicas de visión computacional a la fotogrametría (Hartley & Zisserman, 2000) unida a la mejora de la velocidad de cálculo de los nuevos ordenadores, ha hecho que junto con la evolución de los drones, se obtengan resultados de mayor calidad y mejor precisión. Este avance ha hecho que métodos como la fotogrametría clásica, esté siendo sustituida en los últimos años por softwares basados en la técnica SfM (Souto-Vidal, Ortiz-Sanz, & Gil-Docampo, 2015). De esta forma, su utilización en el ámbito de la ingeniería, es ya una realidad con aplicaciones en el visible y el térmico (González-Rodrigo et al., 2016).

La combinación de imágenes y vídeos junto con la obtención de modelos georreferenciados y escalados en los que se puedan realizar mediciones, constituye una característica importante de esta técnica. La comparativa de dos de estos modelos georreferenciados en diferentes instantes de tiempo, permite obtener las diferencias, cambios o deformaciones entre ambos. El objetivo consiste en evaluar y valorar la viabilidad de la técnica de fotogrametría con dron para control de movimientos de laderas así como su correlación con los sistemas clásicos de auscultación.

2 Metodología. Aplicación al monitoreo de laderas

2.1. Adquisición de datos

Se llevaron a cabo los vuelos sobre un macizo rocoso, utilizándose sensores de tipo RGB. Es destacable la escasa o nula cobertura GNSS existente en la zona, por lo que los vuelos no pudieron ser programados y carecía de interés realizar vuelos con sistema de geoposicionamiento en tiempo real (RTK). Estos condicionantes se debían a que la ubicación de la ladera objeto de estudio corresponde a un tramo de carretera de alta montaña en túnel, situada al pie de un cañón o desfiladero de más de 100 m de altura y escasos 50m de anchura.

En todas las campañas el equipo utilizado fue un Phantom 4 pro, siendo la distancia del vuelo al talud de 7 metros. Esta distancia se logró mantener gracias a los sensores de distancia delanteros que incorpora el propio dron. Todos los vuelos fueron realizados a velocidad constante de 2 m/s y con una toma de imágenes secuencial cada 2 segundos. Además, se tuvieron en cuenta parámetros de la cámara, lente, y distribución de los puntos de apoyo. En la planificación se consideró un solape longitudinal del 90% y el transversal del 80% entre cada fotograma.

La adquisición de datos tuvo lugar en cuatro periodos diferentes del año, para así determinar el movimiento de la ladera y compararlo con los datos de auscultación obtenidos mediante un sistema de auscultación topográfica automatizada (ATA). Se colocaron un total de 15 miniprismas y 11 dianas incluso en las zonas perimetrales en las que era conocida la ausencia de movimientos. Para la realización de los trabajos se optó por una estación de la marca LEICA modelo TS60 cuya incertidumbre angular de 0.5 ” y 1 mm + 1ppm en distancias asegurando en todo momento la posición del punto de control con un error inferior a un mm.

2.2. Procesado

Para la realización de los modelos, se seleccionaron un total de 473 en el primero de ellos (campaña 1), 543 en el segundo (campaña 2), 457 en el tercero (campaña 3) y 494 en el cuarto (campaña 4), descartando todas aquellas no útiles. En relación a la distribución de los puntos de apoyo y teniendo en cuenta tanto la dificultad de acceso, la cual requería de personal especializado de trabajos verticales, hizo que la distribución de los mismos atendiera a la seguridad de los trabajadores, pero considerando siempre que en cada bloque de gran tamaño potencialmente inestable, hubiera al menos un punto de apoyo. Por esta razón, no se siguió ningún patrón de replanteo estándar de puntos de apoyo (Sancho, Galán, Gónzalez, Marchamalo & Martínez, 2021) ni siquiera los recomendados por propio software de procesado utilizado llamado Methasape (Agisoft LLC, 2020).

2.3. Detección de cambios

Una vez procesados los modelos de las cuatro campañas, y obtenida la nube de puntos dispersa, nube de puntos densa y malla de triángulos o modelos digital de elevaciones se lleva a cabo la comparativa entre ambas mediante diferentes algoritmos con el programa Cloud Compare.

2.3.1. Campaña 1 vs Campaña 2

Se aplica el algoritmo Cloud-to-mesh distance (CloudCompare, 2009) en este primer cálculo de deformaciones de la ladera, el cual permite obtener las distancias entre una nube de puntos y un modelo o malla.

El resultado obtenido indica cambios de gran magnitud, llegando a valores de 45 cm. El control de deformaciones realizado mediante la tecnología dron aporta un mapa completo de valores de movimiento, lo cual permite diferenciar tanto las zonas en las que se ha producido ese movimiento como la magnitud del mismo.

La detección de movimientos, de forma que se obtengan a lo largo de toda una superficie permite diferenciar de forma rápida entre movimientos locales y globales. En este caso de estudio, los planos de estratificación buzan desfavorablemente hacia la zona del río. En la clave del túnel se localiza un plano de toppling 79/156 y un plano de fracturación 74/055 (figura 4a) con el algoritmo Compass de Cloud compare y verificado en campo con brújula. Estos planos, junto con el de base (figura 4b) forman una cuña de más de 20.000 toneladas de peso, que además se encuentra altamente fracturada formando una estructura donde existen potenciales deslizamientos locales. De esta forma, la finalidad del análisis de movimientos estudiado, tiene el objetivo de evaluar tanto el movimiento global de forma precisa como discernir los posibles movimientos locales que se produzcan.

En la figura 4 se pueden ver los planos principales de diaclasado y dirección de deslizamiento.

A continuación, se muestra la superposición del mapa de deformaciones sobre el modelo tridimensional de la campaña 2. De esa forma se puede observar, no solo la zona movilizada, sino la tendencia del movimiento. En este caso, se trata de un movimiento localizado, aunque de dimensiones considerables. A priori da la sensación de que se trata de un deslizamiento sobre el plano de base (línea roja en la Figura 4b) pero observando los valores de los movimientos se ve que el movimiento en el plano base es prácticamente nulo, registrándose los movimientos en la parte superior con magnitudes de hasta 45 cm, lo cual da una idea inicial de que se está produciendo un vuelo localizado y no un deslizamiento desde el plano de base que podría dar lugar a una inestabilidad global. Hay que destacar que los movimientos negativos corresponden con la variación de espesor de nieve registrada entre ambas campañas.

Sobre el modelo tridimensional generado a partir de la técnica Structure from Motion se observa de forma sencilla el vuelco localizado descrito anteriormente. Tal y como se aprecia en la Figura 6, se trata de una fractura generada en el macizo, la cual ha producido un desplazamiento en su parte superior permaneciendo estable en la inferior.

Control de calidad

Con objeto de ver las diferencias entre valores topográficos y fotogramétricos (control de calidad de la técnica fotogramétrica), se lleva a cabo la comparativa de los valores de movimiento obtenidos en las zonas donde se han instalado los miniprismas y las dianas.

Con esta premisa, los valores de movimiento en abscisas (coordenada Y) registrados por el sistema automatizado con la estación total TS60 de Leica y su variación entre las dos campañas han sido los mostrados en la tabla 1:

Mediante el programa CloudCompare (CloudCompare, 2009), se obtiene el movimiento en las inmediaciones de cada uno de los prismas y dianas que han sido resultado de la aplicación de la técnica fotogramétrica descrita en la misma dirección que los medidos con el sistema automatizado. Estos valores se pueden observar en la figura 8.

Las diferencias entre los valores obtenidos entre fotogrametría y los obtenidos con estación total inferiores a 2,0 mm siendo el caso más desfavorable el correspondiente al prisma PR-8 con un valor de 1,8 mm.

La gran utilidad de esta metodología no se encuentra en localizar el movimiento de un punto concreto, esto lo aporta la topografía clásica, sino de una tendencia y con ello ver e interpretar una deformación de toda la zona objeto de estudio. A continuación, se aporta la campana de Gauss obtenida a partir de todos los valores que forman la nube de puntos de desplazamientos obtenida con la metodología descrita (figura 3).

2.3.2. Campaña 3 vs Campaña 4

El siguiente cálculo de deformaciones, se lleva cabo tomando como referencia la nube de puntos de la campaña 3 del 2 de Agosto de 2018 y comparándola con la realizada el 8 de Noviembre de 2018 (Campaña 4).

En este caso se ha utilizado el algoritmo cloud-to-cloud Distance del programa CloudCompare (CloudCompare, 2009), el cual permite obtener las distancias entre nubes de puntos, siendo la que ha proporcionado resultados más precisos la correspondiente al modelo local 2D1/2. En la figura 10, se presenta el cálculo de deformaciones obtenido en toda la ladera.

Como se puede apreciar, de forma general se ve que no hay zonas de movimiento reseñable en el talud, sin embargo, hay zonas localizadas donde sí se dan valores de movimientos puntuales y de gran magnitud. Analizando detalladamente la nube de puntos, se puede ver en color verde que esas zonas que “a priori” dan valores de movimiento, se corresponden con material utilizado en los trabajos de estabilización de la ladera.

Control de calidad

Los valores de movimiento en abscisas (coordenada Y) registrados por el sistema automatizado con la estación total TS60 de Leica y su variación entre las dos campañas (Tabla 2).

Debido a los trabajos de estabilización, los prismas que permanecieron y sobre los que se pudo tener el control de desplazamientos de forma continua fueron los indicados en la tabla anterior, teniendo que haber sido sustituidos los que no aparecen en la tabla. En la figura 12, se presentan los valores de movimiento obtenidos mediante fotogrametría aplicada con dron al control de deformaciones de la ladera analizada con el programa CloudCompare (CloudCompare, 2009).

Las diferencias entre los valores obtenidos entre fotogrametría y los obtenidos con estación total dan diferencias inferiores a 2,0 mm, siendo el caso más desfavorable el correspondiente al prisma 7 con un valor de 1,58 mm.

Como en los casos anteriores, a partir de la campana de Gauss y de la figura 12 se puede analizar de forma inmediata que movimientos se están produciendo en la ladera, con un margen de error del entorno de los 1,5 mm tal como se ha podido contrastar con los valores obtenidos mediante el sistema de auscultación clásica con una estación total TS60.

3 Conclusiones

La fotogrametría mediante drones y su adecuada aplicación, está provocando un salto no solo cuantitativo y cualitativo en la captura masiva de datos. El producto obtenido formado por la una nube de puntos densa y en color verdadero de cualquier ladera o estructura, permite la modelización del mismo, junto con la creación de una malla georreferenciada, la inspección global y continua del elemento así como el control de deformaciones.

La obtención de una densidad muy alta de las nubes de puntos obtenidas mediante SfM, suficiente para la generación de las comparativas con precisión milimétrica.

La minimización de los costes y de los tiempos empleados en campo y oficina, hacen que esta técnica sea muy ventajosa frente a otras existentes en la actualidad. Además, la galería de fotografías obtenida permite la inspección visual en detalle.

Los resultados obtenidos proporcionan diferencias entre las deformaciones medidas con las nubes de puntos y el sistema ATA mediante estación total, dentro del rango necesario para validar la metodología propuesta en el marco de la auscultación, dando diferencias medias de 1,5 mm. Estos valores inferiores a 2 mm, hacen que la auscultación de deformaciones mediante tecnología dron sea una realidad aplicable a estructuras y terreno.

La precisión obtenida, hace que el control de deformaciones tridimensional mediante la metodología descrita, basada en la comparativa de nubes de puntos obtenidas a partir de vuelos con drones, sea un gran complemento en la auscultación y análisis de inestabilidades.

4 Referencias

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