Metodología de trabajo para levantamiento LIDAR-Fotogramétrico mediante UAV de ala rotativa

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 77)

1. Introducción

Para la realización del levantamiento LIDAR-Fotogramétrico de las áreas objeto de estudio se ha seleccionado la realización de los trabajos mediante un RPAS de ala rotativa Matrice-600Pro del fabricante DJI, equipado con un sistema LIDAR CARTO L16 y una cámara Sony A600 de 24Mpx. La selección de una plataforma RPAS se ve justificada por los requerimientos de altura de vuelo y velocidad necesarias para la captura de datos LIDAR, siendo esta metodología de trabajo la más idónea para alcanzar los objetivos de precisiones y densidad de puntos requeridos.

2. Principios de los sistemas Lidar

El LIDAR es un sistema que permite obtener una nube de puntos del terreno tomándolos mediante un escáner láser aerotransportado (ALS). Para realizar este escaneado se combinan dos movimientos. Uno longitudinal dado por la trayectoria del UAV y otro transversal mediante un espejo móvil que desvía el haz de luz láser emitido por el escáner.

Para conocer las coordenadas de la nube de puntos se necesita la posición del sensor y el ángulo del espejo en cada momento. Para ello el sistema se apoya en un sistema GPS diferencial y un sensor inercial de navegación (INS). Conocidos estos datos y la distancia sensor-terreno obtenida con el distanciómetro obtenemos las coordenadas buscadas. El resultado es de decenas de miles de puntos por segundo.

Los componentes del lídar son:

• ALS: Escáner Láser Aerotransportado. Emite pulsos de luz infrarroja que sirven 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. Ésta puede montarse en algunos sistemas junto al ALS.
• Medio aéreo. Puede ser un avión, un helicóptero o un UAV. 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 o UAV, debido a que éste puede volar más lento y bajo.

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 lídar obtiene también la siguiente información.

• Por cada pulso emitido puede captar 2 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.

En topografía, la medición de distancias con láser para aplicaciones de mapas a gran escala, está revolucionando la toma de datos digitales relativos a la elevación de terrenos. Esta técnica es una alternativa a otras fuentes de toma de datos como el Modelo Digital del Terreno (MDT). Se puede usar como una fuente de datos para los procesos de contorno y generación de curvas de nivel para ortofotos digitales.

Un sistema lídar emite pulsos de luz que se reflejan en el terreno y otros objetos de cierta altura. Los fotones de los pulsos reflejados son transformados en impulsos eléctricos e interpretados por un registrador de datos de alta velocidad. Puesto que la fórmula para la velocidad de la luz es bien conocida, los intervalos de tiempo entre la emisión y la recepción se pueden calcular fácilmente. Estos intervalos son transformados en distancia ayudados por la información posicional obtenida de los receptores GPS del UAV/terreno y de la unidad de medición inercial de a bordo (IMU), la cual registra, constantemente, la altitud de la aeronave.

Los sistemas lídares registran datos de posición (x, y) y de elevación (z) en intervalos predefinidos. Los datos resultantes dan lugar a una red de puntos muy densa, típicamente a intervalos de 1 a 3 metros. Los sistemas más sofisticados proporcionan datos no solo del primer retorno si no también de los siguientes, que proporcionan alturas tanto del terreno como de su vegetación. Las alturas de la vegetación pueden proporcionar la base de partida para el análisis de aplicaciones de diferentes tipos de vegetación o de separación de altura.

Una ventaja significativa de esta tecnología, con respecto a otras, es que los datos pueden ser adquiridos en condiciones atmosféricas en las que la fotografía aérea convencional no puede hacerlo. Por ejemplo, la toma de datos puede hacerse desde un avión en vuelo nocturno o en condiciones de visibilidad reducida, como las que se dan con tiempo brumoso o nublado.

Los productos estándar fotogramétricos derivados de los datos lídar incluyen modelos de contorno y elevación para ortofotos. Para la obtención de contornos precisos se requiere un postprocesamiento de los datos iniciales. Puesto que los datos lídar son obtenidos sobre los objetos elevados (por ejemplo edificios), se usan sofisticados algoritmos para eliminar los puntos relativos a estos objetos. Debido a la gran densidad de puntos se requieren muy pocas líneas de quiebre, si acaso, para representar con precisión el terreno. No obstante, la presencia del sistema lídar y el uso de software de postprocesamiento, los procedimientos de validación deberán ser incorporados en el proceso para asegurarse de que los contornos finales sean representativos del terreno. El usuario final también deberá considerar que los contornos derivados de lídar tendrán una apariencia diferente a aquellos compilados mediante técnicas fotogramétricas convencionales. Debido a la densidad de puntos obtenida, los contornos derivados de lídar, aunque altamente precisos, tenderán a tener una apariencia más quebrada.

El postprocesamiento y la verificación en 3D también son recomendables cuando se hace uso de datos lídar para la generación de ortofotos digitales. Aunque los requerimientos de precisión vertical para la generación de una ortofoto son menos estrictos que para la generación de contornos, los datos deberán ser verificados para detectar errores de bulto. No se requiere necesariamente que los puntos en edificios sean eliminados. De hecho, los edificios modelados con datos lídar serán rectificados en su verdadera posición (ortofoto verdadera) y las distorsiones radiales eliminadas causadas por inclinación de los edificios. Esta mejoría es de alguna manera afectada por el hecho de que los bordes de edificios pueden tender a verse redondeados; dependiendo esto de la localización de los puntos relativos al borde del edificio.

La precisión de los datos obtenidos mediante la técnica lídar dependen de:

• La frecuencia del pulso.
• La altura de vuelo.
• El diámetro del rayo láser (dependiente del sistema)
• La calidad de los datos GPS / IMU y los procedimientos de post procesamiento.

3. Principios de la Fotogrametría

Método general de la Fotogrametría

El estudio de la fotogrametría surge, como sabemos, por la necesidad de obtener información en tres dimensiones a partir de información en dos dimensiones; es decir, se desea conocer el tamaño, las dimensiones y la posición espacial de los objetos. El método o fundamento de la fotogrametría se basa en la obtención de dos fotografías aéreas verticales sucesivas, que toman un punto común del terreno y a partir de la restitución de lo haces de proyección (restitución por aberraciones del objetivo, distorsiones generadas por deformaciones de la película o negativo, distorsiones atmosféricas y otras distorsiones por desviación de la vertical) es posible obtener las coordenadas del punto en ambas fotografías a partir de un eje de referencia relativo y de esta manera obtener semejanzas geométricas entre las dos imágenes. Obsérvese que el punto P (x,y,z) ubicado en el terreno es proyectado a la fotografía. Obedece al caso general en donde coinciden, en la vertical, el centro de la fotografía y el centro del terreno fotografiado ó nadir.

El método de reconstrucción de objetos o terreno (cartografía) mediante fotogrametría:

1. Fotografiar los objetos: Será necesario una previa Planificación del vuelo y de las tomas de fotografías (se hace en la fase de Proyecto de vuelo), tras la planificación se procede a la Obtención de imágenes(Vuelo), y a un posterior Procesado.
2. Orientación de las imágenes: Colocación de los fotogramas en la posición adecuada con sus marcas fiduciales (orientación interna);Colocar los fotogramas en la misma posición que ocupaban entre ellos en el momento de las tomas (orientación relativa);
   1. Formación del modelo por restitución para después aplicarle giros, una traslación y un factor de escala (orientación absoluta) para tener el modelo (objeto) en coordenadas terreno. Incluye también el escalado del objeto para obtener y realizar medidas en las magnitudes reales.
   2. Formación del modelo por rectificación, consistente en, una vez aplicados la orientación tanto interna como externa del haz de luz, hallar la intersección entre dicho haz orientado y el modelo digital del terreno correspondiente al espacio que se quiere determinar. Para realizar una rectificación se ha tenido que realizar previamente una restitución de dicho lugar.

4. Componentes del Sistema

4.1. Plataforma de vuelo

La plataforma seleccionada para la ejecución de los vuelos LIDAR-Fotogramétricos ha sido como se ha mencionado con anterioridad el UAV de ala rotativa Matrice 600Pro del fabricante DJI dada su capacidad de carga de pago y sus prestaciones de vuelo. Su gran autonomía de vuelo nos permite cubrir amplias extensiones de terreno en un único vuelo. Cuenta con un diseño especialmente concebido para volar a bajas velocidades lo que permite obtener nubes de puntos e imágenes de gran densidad y calidad evitando corrimientos en los pixeles capturados.

Gracias a su sistema de autopiloto permite la realización de los vuelos de forma autónoma de una forma fácil y ágil, convirtiéndolo en una herramienta ideal para la realización de cartografía, cálculos volumétricos, modelos 3D, etc…

4.2. Sistema Lidar CARTO L-16

El Sistema LIDAR está compuesto por dos subsistemas, el primero de ellos es el sistema de captura de datos embarcado en el UAV y el segundo es la unidad de control en tierra.

El sistema embarcado se compone de un cabezal laser Puck VLP-16 del fabricante Velodyne, un Sistema GNSS/INS Applanix AP-15 y la unidad de control y almacenamiento de datos.

Velodyne VLP-16

Applanix AP-15

Unidad de control y almacenamiento
Unidad de control en tierra

La unidad de control en tierra está compuesta por un sistema de radioenlace de 5GHz y un ordenador portátil dotado con el software para el manejo y configuración del sistema.

4.3. Sensor fotogramétrico

La elección del modelo A6000 del fabricante Sony se ve justificada por su alta resolución de 24Mpx, combinado con su bajo peso y fácil manejo de forma remota. Lo que la hace la mejor cámara disponible en el mercado para esta clase de trabajos.

Con esta cámara las fotografías obtenidas son idóneas para su posterior procesado mediante software fotogramétricos ya que evita el suavizado y la homogeneización de los pixeles, permitiendo una definición más nítida de elementos.

4.4. Base GNSS

Para la captura de datos brutos GNSS en tierra se empleará un receptor modelo S900 del fabricante Stonex. Configurado para capturar datos a GPS y GLONASS a 5Hz.

5. Planificación

La planificación de los vuelos se ejecutará mediante el software UGCS. Esta herramienta es posible planificar los distintos vuelos realizados en función de la altura de vuelo y solape entre pasadas requeridos, de las características de la aeronave y de la orografía de las zonas de interés.

Los parámetros que se tienen en cuanta para dicha planificación fueron la zona de interés delimitada mediante archivos KMZ, la densidad de puntos requerida, el tamaño de GSD, los solapes transversales y longitudinales, y la cámara seleccionada. A partir de estos datos iniciales se determinó primero la altura de vuelo necesaria para cumplir con los requerimientos es de 60 metros AGL y una distancia entre pasadas de 50 metros.

6. Ejecución de los vuelos

La ejecución de los vuelos para la captura de imágenes y datos Lidar se realizará siguiendo la planificación previa, adaptándose a las características y vicisitudes propias del trabajo en campo.

7. Toma de puntos de apoyo

La toma de puntos de apoyo necesarios para la restitución fotogramétrica de la zona de interés se realizará mediante sistemas GNSS de doble frecuencia, y el método utilizado para obtener las coordenadas con la precisión necesaria es mediante correcciones en tiempo real (RTK) el cual nos permite obtener las precisiones centimétricas necesarias.

El método de marcaje de los puntos de apoyo será mediante señalización previa al vuelo con marcas de pintura.

8. Procesamiento LIDAR

Para el procesamiento GNSS/INS de los datos capturados por el sistema LIDAR y la base GNSS se empleará el software POSPac del fabricante Applanix el cual nos permite obtener la trayectoria de vuelo realizada por el UAV para su posterior unión con los datos capturados por el cabezal laser.

Para la obtención de los ficheros LAS se empleará el software ProcessData el cual permite la obtención de estos archivos mediante la unión de la trayectoria de vuelo y los datos laser brutos.

9. Procesado fotogramétrico

Como resultado de los trabajos descritos con anterioridad se dispondrá de todos los datos necesarios para el proceso de restitución fotogramétrica mediante software especializado para dicha tarea. El procesado se ejecutara mediante el software especializado Pix4D, el cual ha sido diseñado específicamente para trabajar con imágenes captadas mediante UAV y el cual nos proporciona unos resultados óptimos con las mejores precisiones disponibles en el mercado.

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