Los drones como herramienta de trabajo. Aplicación RPAS para el análisis y evaluación de correcciones hidrológicas en La Laguna Cañizar

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 76)

SERGIO MOLINA (Jefe de Departamento y Responsable de Operaciones RPAS), VICTOR BELLO y JESÚS REDONDO (Jefes de Grupo de Actuaciones y Proyectos), JULIÁN REJAS (Piloto y Coordinador del Grupo Tragsa- RPAS) del Grupo TRAGSA en calidad de expertos del Comité Civil de TECNIBERIA

Los RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems) constituyen una herramienta idónea para la observación y análisis del territorio, con grandes ventajas de accesibilidad tecnológica y flexibilidad operacional, lo que contribuye a su rápida expansión en el mundo de la ingeniería.

Los resultados del proyecto “Aplicación RPAS para el Análisis y Evaluación de Correcciones Hidrológicas en la Laguna del Cañizar de Teruel” confirman las ventajas y mejoras que ofrece esta tecnología frente a soluciones convencionales de topografía, y que ha permitido obtener un MDT con un grado de detalle y precisión sin precedentes que servirá de apoyo para la redacción de un plan de gestión de la laguna.

INTRODUCCIÓN

Los RPAS son una herramienta idónea para la observación y análisis del territorio. En particular, los que se clasifican como mini o handheld son de fácil acceso para profesionales y empresas, y resultan económicos, con una enorme flexibilidad operacional y gran potencial de aplicación. Su simplicidad e inmediatez en captura y disposición de información para múltiples propósitos han sido factores clave de su gran aceptación en el mercado y del notable incremento de usuarios en los últimos años.

La industria de los RPAS está bien establecida en España, como lo demuestran los más de 3600 operadores habilitados para realizar actividades aéreas de trabajos técnicos o científicos (AESA, Registro de Declaración Responsable de Operador de Aeronaves RPAS, Junio de 2019), con unas grandes expectativas de crecimiento en los próximos años. Las técnicas de Teledetección y Fotogrametría pueden aplicarse ahora sin necesidad de complejos programas espaciales o costosos contratos de vuelo.

Los RPAS constituyen, además, un campo tecnológico que se encuentra en pleno auge, gracias a la cada vez más avanzada tecnología y a la existencia de un marco legal sobre el que poder desarrollar nuestra actividad. En España se inicia con un reglamento temporal publicado para regular la utilización civil de los RPAS (artículos 50 y 51 de la Ley 18/2014, de 15 de octubre, de aprobación de medidas urgentes para el crecimiento, la competitividad y la eficiencia), continua con el Real Decreto 1036/2017, de 15 de diciembre, por el que se regula la utilización civil de las aeronaves pilotadas por control remoto, vigente hasta el 20 de mayo de 2020, fecha de aplicación de la nueva normativa europea aprobada el 24 de mayo de 2019 [EASA19].

La tecnología RPAS tiene aplicación en multitud de campos de actividad, destacando en los sectores de la ingeniería rural y medio ambiente las siguientes líneas de actuación: cartografía y topografía, eficiencia de regadíos, control y vigilancia de la costa y del mar, seguimiento de obras, incendios, emergencias, control de plagas y enfermedades forestales, selvicultura, vigilancia en espacios protegidos, seguimientos de fauna, biodiversidad, monitorización de especies exóticas invasoras, biomasa, vertidos, etc.

APLICACIÓN RPAS PARA EL ANÁLISIS Y EVALUACIÓN DE CORRECCIONES HIDROLÓGICAS EN LA LAGUNA CAÑIZAR

Objetivos.

La laguna del Cañizar, situada en el valle del Jiloca, entre los términos municipales de Villarquemado y de Cella, fue desecada casi por completo en el siglo XVIII, cuando su extensión podía llegar a superar los 11 km² y tenía una profundidad máxima de 2,8 m, por cuestiones de salubridad y mejora en el aprovechamiento del suelo. En 2006 la Confederación Hidrográfica del Ebro, con el impulso de los Ayuntamientos de Cella y de Villarquemado, inició el proceso de restauración con el objetivo inicial de fomentar el turismo rural y desarrollar una economía sostenible ligada al medio natural.

Recientemente, la laguna del Cañizar ha sido seleccionada como zona piloto del Proyecto WETNET: Coordinación de la Gestión y Redes de Humedales Mediterráneos (https://wetnet.interreg-med.eu/) con el objetivo particular de compatibilizar los usos agrícolas y ganaderos de la laguna con el medioambiental y turístico, para lo que se ha impulsado un proceso participativo de todas las partes interesadas en el que se basará el futuro Contrato Humedal (http://aragonparticipa.aragon.es/ procesoparticipativo- humedal-del-canizar).

Los trabajos realizados por el Grupo Tragsa corresponden con un encargo del Departamento de Desarrollo Rural y Sostenibilidad del Gobierno de Aragón, y tuvieron como objetivo la obtención de un levantamiento topográfico de detalle que sirviera para el análisis y evaluación de correcciones hidrológicas, y para la elaboración del Plan de Gestión del Humedal, que representa uno de los acuerdos destacados del proceso.

Desde un punto de vista cartográfico, el objetivo fue obtener un modelo digital del terreno con precisión equivalente a una cartografía 1/250 con una equidistancia de curvas de 25 cm.

Planificación

Los aspectos fundamentales a tener en cuenta durante la planificación de un vuelo RPAS son el GSD (Ground Sampling Distance) y los solapes longitudinal entre imágenes y transversal entre pasadas (NEX14), que dependerán de las características del sensor embarcado y de la relación entre la focal y la altura de vuelo.

El ámbito del trabajo cubre una extensión aproximada de 12,4 km2 y corresponde a toda la superficie original de la Laguna del Cañizar y a un tramo del río Jiloca.

Respecto a la carga de pago utilizada, se ha empleado una cámara senseFly SODA (RGB) con focal fija de 10,6 mm y sensor de 20 Mp con tamaño de pixel de 2,4 μm.

La plataforma en la que se embarcó la cámara fue un sistema de ala fija eBee+ RTK de senseFly con autonomía de vuelo media de 50 minutos en condiciones normales de operación.

Atendiendo a las características del RPAS empleado (plataforma + sensor) se planificó el vuelo de manera que se cumpliese con las exigencias técnicas del proyecto:

• Altura de vuelo: Se voló a una altura constante de 119 m AGL respecto de la zona de despegue. A esta altura de vuelo, con la cámara empleada, se obtuvo un GSD de 2,8 cm.
• Atendiendo a las dimensiones del área de trabajo, se establecieron 4 zonas desde las que se operó el sistema RPAS.
• La inestabilidad de estos sistemas provocada por la acción del viento durante el vuelo hace que sea necesario establecer unos recubrimientos elevados para garantizar que se mantengan solapes suficientes durante la ejecución del vuelo. Además, zonas tan homogéneas como la que nos ocupa suponen, durante la fase de procesado, bajo contraste y por tanto mayor dificultad en los algoritmos de correlación (FARJAS14), lo cual se podría mejorar ampliando el número de imágenes. Por esta razón, se aumentaron los solapes respecto a los que se pudieran adoptar en un vuelo tradicional, determinándose un solape longitudinal del 80% y transversal del 60%, lo que se tradujo en un total de 8660 imágenes para cubrir el ámbito total (Figura 1).

Figura1. Planificación del vuelo

Teniendo en cuenta la extensión a volar, resultaba inviable realizar apoyo fotogramétrico. La solución planteada se basó por tanto en el sistema de correcciones en tiempo real (RTK) del sistema eBee+ para la obtención de datos de posición precisos de las imágenes. Para comprobar las orientaciones se decidió establecer una malla de puntos de chequeo (Figura 2) observados con equipos GNNS Leica de la Serie 1200 (bifrecuencia L1 L2 códigos C/A y P). Para localizar los puntos de chequeo (PC) sobre las imágenes, se preseñalizaron los mismos con unas dianas de puntería impresas sobre A3 (Figura 3).

Figura 2. Distribución de PC

Figura 3. Diseño señal empleada en los PC y ejemplo sobre imagen

Realización del vuelo y procesado

El trabajo se completó conforme a la planificación de gabinete en 16 sesiones de vuelo realizadas en tres días (30, 31 de enero y 1 de febrero de 2018). En la tabla 1 se incluyen las imágenes capturadas por sesión y día de vuelo.

Tabla 1. Fotografías capturadas por sesión de vuelo

Para el procesado de las imágenes capturadas se empleó el software Photoscan de Agisoft. El flujo de trabajo hasta la obtención del MDS fue el siguiente: Alineación de las imágenes con autocalibración de la cámara (proceso de orientación de las imágenes para la obtención de los ángulos de captura), comprobación de los puntos de chequeo, generación de la nube de puntos, y generación de la ortofoto.

Tabla 2. Parámetros de autocalibración de la cámara (f y Cx, Cy en píxeles)

Figura 4. Correcciones de distorsión radial obtenidas por autocalibración

• En fotogrametría aérea normalmente se emplean cámaras métricas que incluyen objetivos con sistemas de lentes complejos y de alta calidad. Sin embargo, las cámaras embarcadas en RPAS no son métricas y comparativamente tienen una óptica de baja calidad lo que las hace muy inestables, siendo necesario que se autocalibren para cada trabajo (AGUIR16). El SW empleado devuelve los parámetros de focal (f), coordenadas del punto principal (Cx, Cy), coeficientes de transformación (B1,B2) de afinidad y sesgo (no ortogonalidad) y distorsiones radial y tangencial (k1, k2, k3, k4, p1, p2, p3, p4) autocalibrados. En la tabla 2 se representan los coeficientes de calibración y la matriz de correlación obtenidos al autocalibrar el vuelo, y en la figura 4, las correcciones de distorsión calculadas para la cámara S.O.D.A empleada:
• Una vez orientadas las imágenes del vuelo con las precisiones esperadas (RMSE<GSD, precisión interna <0.5 pixel), se comprobó la calidad del ajuste midiendo y comparando las coordenadas de los puntos de chequeo. En la tabla 3 se incluyen los resultados obtenidos para el ámbito de la laguna en los PC. Una vez validada la orientación, se generó la nube de puntos densa, proceso en el que se calcula un mapa de profundidad por imagen (ZDepth) para la reconstrucción del modelo de superficies, y que permite elegir tres tipos de filtro para eliminar valores atípicos en función de las características de la zona capturada, optándose en este caso por la opción Depth filtering Aggressive. La densidad obtenida de la nube de puntos fue de 22 puntos por metro cuadrado, lo que se traduce en una distancia entre puntos de 21 cm.
• Con los parámetros de orientación de las imágenes y el MDS se generó la ortofoto con una resolución de 3 cm que serviría para la edición de la nube de puntos.

Tabla 3. Errores de la alineación en los PC (terreno e imagen) con autocalibración

Figura 5. Detalle de la ortofoto generada

Revisión del MDS

Una vez generado el MDS, se hizo un tratamiento de la nube de puntos mediante la herramienta TerraScan de Terrasolid Ltd. en la que se discriminaron los puntos de suelo del resto.

Como resultado de este proceso, se consiguió eliminar del MDT los puntos correlados sobre la vegetación. En la Figura 6 se incluye un detalle del MDS obtenido en PhotoScan y del MDT una vez revisada la nube de puntos.

Figura 6. Detalle del MDS y MDT obtenido

En el MDT revisado, se puede apreciar cómo la vegetación se ha eliminado quedando sólo los elementos geomorfológicos que definen el terreno.

En la Figura 7 se incluye la misma zona pero representando la nube de puntos en función de la pendiente calculada.

Figura 7. Detalle del MDS y MDT obtenido

A finales de abril de 2018 se realizó una nueva campaña de campo empleando tecnología GNSS para la validación final de la calidad altimétrica del MDT revisado. Para la realización de estos trabajos se instaló una antena GNSS en un vehículo y se recorrieron los caminos existentes. De nuevo se empleó el método de observación RTK. De estos trabajos de campo se obtuvieron aproximadamente 2.100 puntos de chequeo que, al compararlos con el MDT, arrojaron precisiones de 6 cm (tabla 4):

Tabla 4. Estadísticos de la comparación altimétrica

La distribución de las discrepancias se presenta en la figura 8, mientras que su representación geográfica se puede observar en la figura 9.

Figura 8. Gráfico de frecuencias diferencias MDT(z) – GNSS(z)

Figura 9. Diferencias MDT(z) – GNSS(z)

CONCLUSIONES

La “Aplicación práctica para el análisis y evaluación de correcciones hidrológicas en la laguna del Cañizar” ha sido un ejemplo de la madurez de la tecnología RPAS para soluciones topográficas que requieran una alta precisión, y de las enormes ventajas que representa en ingeniería por su homogeneidad de resultados y riqueza de datos, ahorro de tiempo y costes de trabajo en campo, mejorando la calidad de los resultados topográficos convencionales y reduciendo riesgos personales.

Incluso en las condiciones tan excepcionalmente complejas de la zona a fotografiar por la tipología de terreno y su gran extensión, tanto el equipo RPAS como el Sw de postproceso han ofrecido una excelente respuesta. Es necesario, no obstante, tomar ciertas precauciones para garantizar las precisiones exigidas en determinados proyectos, debiendo planificar adecuadamente las campañas de vuelo y apoyo/control, y emplear métodos de orientación con autocalibración que tengan en cuenta las limitaciones de los sensores ligeros embarcados en los RPAS.

El MDT obtenido en la laguna del Cañizar ha permitido obtener un grado de detalle y precisión del terreno nunca alcanzados previamente (se estima un desnivel de 0,4 por mil), y servirá de apoyo para la redacción de un plan de gestión de la laguna que establecerá, entre otras cuestiones, el agua a almacenar y por tanto la zona inundable, y las épocas para el riego y para el uso medioambiental.

REFERENCIAS

[AESA15] Registro de Declaración Responsable de Operador de Aeronaves RPAS, http://www.seguridadaerea.gob.es/media/4305572/listado_operadores.pdf (2019).

[EASA19] COMMISSION IMPLEMENTING REGULATION (EU) 2019/947 of 24May 2019 on the rules and procedures for the operation of unmanned aircraft, https://eur-lex.europa.eu/legalcontent/EN/TXT/?qid=%201560241430970&uri=CELEX:32019R0947 .

[Nex14] Nex, F & Remondino, F. UAV for 3D mapping applications: a review, 2014.

[Farjas14] Farjas, M et al. Tecnología UAV en yacimientos arqueológicos. Análisis de precisión de los modelos digitales de superficie y de los productos fotogramétricos derivados, Saarbücken, Alemania, Publicia 2014.

[Aguir16] Aguirre de Mata, J. Calibración geométrica de cámaras no métricas. Estudio de metodologías y modelos matemáticos de distorsión; Tesis doctoral 2016.