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Levantamientos topograficos con drones – Fotogrametria aerea con drones

A la hora de realizar cualquier obra de ingeniería es crucial una buena representación de la superficie terrestre. En la actualidad los levantamientos topográficos convencionales se realizan comúnmente mediante instrumentos ópticos y/o por medio de métodos satelitales, así como levantamientos aéreos a través de la captura de imágenes y/o por medio de escáner láser. Sin embargo, la escasa cobertura de los levantamientos topográficos tradicionales hace que este método sea una solución poco óptima para aquellos proyectos que requieran abarcar áreas extensas y complejas. Por otro lado, la fotogrametría aérea mediante aeronaves tripuladas necesita de grandes extensiones para que su uso resulte rentable. Por dichas razones, como veremos, los levantamientos topograficos con drones representan una excelente alternativa, permitiendo generar levantamientos rápidos en áreas medianas con niveles de precisión que superan las técnicas convencionales.

A continuación pasaremos a describir la operativa para llevar a cabo un levantamiento topográfico mediante fotogrametria aerea con drones.

Descripción de la operativa para la realización levantamientos topograficos con drones

Para realizar levantamientos topograficos con drones se deben seguir los siguientes pasos:

Estudio de los requisitos generales del proyecto y elección del tipo de drone a utilizar:

El primer paso para garantizar el éxito de los levantamientos topograficos con drones consiste en recopilar y analizar todos los requisitos del proyecto. La mayoría de los requisitos son impuestos por el cliente, mientras el resto son identificados luego de la realización de una inspección previa de la zona objetivo para determinar la altura mínima de vuelo, identificar la existencia, o no, de un área que pueda ser utilizada para el despegue, etc.

A continuación citaremos algunos de los principales requisitos que el cliente deberá indicar al contratista:

  • Extensión real en hectáreas de la superficie objetivo.
  • Precisión en la georreferenciación del modelo y, por tanto, de los resultados generados.
  • Precisión de la cota calculada por cada punto XY de los modelos de elevación.
  • Resolución del modelo de elevación.

Una vez se han establecido de forma clara todos los requisitos, se procede a la elección del tipo de drone que mejor se adapte al proyecto (para obtener más información leer Tipos de drones – Conoce todos los tipos de drones que existen).

Planificación del vuelo estableciendo puntos de control:

La elaboración del plan de vuelo es realizada en función de la resolución que se pretenda obtener (o la escala), de la ubicación de la zona a representar, de la orografía del terreno y de la previsión meteorológica.

Se programa un plan de vuelo mediante waypoints con la ayuda de un software de planificación de misiones, el cual permite programar una ruta de vuelo que se ejecuta de forma autónoma.

En el plan de vuelo se define la forma de la ruta a seguir, la velocidad de crucero, las velocidades de ascenso y descenso, en el caso de multirrotores, y de despegue y aproximación, en el caso de drones de ala fija. Adicionalmente, también podremos programar la orientación e inclinación de la cámara, y los momentos en que queremos tomar fotografías.

Parámetros geométricos de la planificación:

  • Solapamientos longitudinal y transversal: Los solapamientos longitudinal  y  transversal  son  dos  de  los  parámetros fundamentales  del  vuelo  fotogramétrico.  El  objeto  de  los  solapamientos fotográficos es el de poder aplicar el principio de la visión estereoscópica a los fotogramas  aéreos.  La  parte  común  entre  dos  fotografías  consecutivas  es  el modelo  estereoscópico,  debiendo  poder  enlazarse  estos  modelos  tanto longitudinal como transversalmente.
  • GSD: Del inglés Ground Sample Distance, o distancia de muestreo en el terreno. En una foto digital del terreno hecha desde el aire, se trata de la distancia medida entre centros de los píxeles en el terreno. Dicho de otra forma, si se considera una imagen con un GSD de un metro, un píxel de  la  imagen  se  corresponde  con  una  superficie  de  1m2 (1x1m)  en  el terreno.  En fotogrametría aérea también se habla del GSD como el campo de vista instantáneo proyectado sobre el terreno (GIFOV del inglés Ground Instant Field Of View).

Para elevar el nivel de precisión de los datos geográficos a capturar, en esta etapa se deberán establecer en el terreno varios puntos de control mediante un GPS bifrecuencia geodésico o un GPS que proporcione los puntos de control con la mayor precisión posible. Actualmente algunos fabricantes ofertan drones con receptores RTK GNSS a bordo de la aeronave permitiendo con ello lograr excelentes niveles precisión sin requerir puntos de control en tierra. Sin embargo el investigador holandés Markus Gerke ha presentado en 2016 un estudio titulado “Accuracy Analysis of Photogrammetric UAV Image Blocks: Influence of Onboard RTK-GNSS and Cross Flight Patterns” en el que llega a la conclusión de que a pesar de la notable mejora de la precisión conseguida con el montaje de receptores RTK GNSS a bordo del drone, sobre todo en el eje z, sigue siendo obligatorio el uso de puntos de control en tierra ya que los mismos nos permitirán comprobar la precisión de los resultados obtenidos.

Es imprescindible elegir como puntos de referencia aquellos que sean claramente identificables en la fotografía, utilizando para ello cruces de caminos, lindes u otros elementos de clara identificación.

Ejecución del plan de vuelo y captura de imágenes:

Una vez se ha realizado el plan de vuelo y se han ubicado los puntos de control se procede a cargar la lista de waypoints en la memoria interna del autopiloto del drone para luego ejecutar la misión de vuelo de forma automática.

Simultáneamente a la fase anterior, se realizan las fotos. Según el plan de vuelo planificado por waypoints, se ejecutará la ruta donde se realizará una fotografía en cada punto programado, podremos visualizar en el PC en tiempo real toda la información de telemetría, estado del aparato y posición del mismo mediante GPS.

Descarga y post procesado de las imágenes:

Los actuales paquetes de software de tratamiento de imágenes permiten de un modo prácticamente automatizado obtener los modelos digitales del terreno, curvados y demás productos de interés, si bien conviene conocer en todo momento el flujo de trabajo que conlleva, de forma genérica, todo el proceso, desde la obtención de las imágenes hasta llegar a los modelos digitales finales de bloques perfectamente homogéneos y georreferenciados.

En todo este proceso, podríamos diferenciar 6 fases de trabajo que, aunque son calculadas y realizadas por las programaciones específicas y no necesitemos ser técnicos especialistas en fotogrametría convencional, se precisan conocer para saber en todo momento lo que se está haciendo y dar solidez a nuestra operativa de trabajo:

  • Orientación de imágenes: corresponde al cálculo de la Orientación Interna fotogramétrica, generando una nube de puntos 3D dispersa de correspondencia entre imágenes. Esta analogía de puntos, el software la lleva a cabo de forma interna, por correlación de píxeles homólogos, en función de las características de color de los mismos. Esta orientación se optimiza según una serie de puntos de paso, seleccionados manualmente y que ayudan y mejoran el cálculo y ajuste interno.
  • Orientación absoluta: puede llevarse a cabo mediante Puntos de Control de los que se conocen las coordenadas X,Y,Z. A partir de una buena distribución de dichos puntos, se obtendrá un modelo trasladado, girado y escalado al Sistema de Referencia deseado, Modelo Georreferenciado. Además, si contamos con un drone que equipado con un receptor L1/L2 GNSS específico de precisión, capaz de realizar la corrección mediante una base estacionada en tierra, ya sea en tiempo real o en tiempo de postproceso, podemos obtener resultados mucho más precisos.
  • Creación de Nube de Puntos Densa: a través del software específico de tratamiento de imágenes se genera una nube de puntos 3D, con diferentes posibilidades de calidad en función del tipo de trabajo, uso o entregable a obtener.
  • Creación de Malla: basándose en la anterior nube de puntos, se genera una malla o triangulación con características propias en función de la aplicación y uso final del producto.
  • Creación de Textura: corresponde a una texturización de la malla anterior, basándose en las imágenes obtenidas en el proceso inicial y adaptando colores y formas al terreno.
  • Creación de Ortomosaico: lleva a cabo la ortorrectificación de la malla texturizada global, según los parámetros de la Proyección Geográfica elegida y teniendo en cuenta el tamaño del pixel. Ya generado el Ortomosaico, puede exportarse la Ortoimagen georreferenciada. Del mismo modo, antes de la obtención de la Ortofoto, deben obtenerse los DEM o MDT, así como el curvado específico del terreno con el objetivo de múltiples aplicaciones: estudios del terreno, volumetrías, mapas de pendientes y visibilidad, edición de perfiles, etc.

Todo este flujo de trabajo nos proporciona altas prestaciones, calidades y precisión en los resultados finales. Este procedimiento operativo es bastante intuitivo y nos permite crear de forma rápida y sencilla Ortoimágenes y Modelos 3D georreferenciados de calidad para la obtención de cartografías, supervisión de líneas de energía, localización y planificación de rutas, etc.

Mediante la integración en el drone de un receptor GPS/GNSS de alto rendimiento y una cámara de altas prestaciones, se obtienen imágenes de mucha calidad y precisión, perfectamente georreferenciadas de modo estable, preciso y fiable. Las imágenes obtenidas pueden alcanzar resoluciones de hasta 1 cm GSD y nubes de puntos de hasta varios miles de puntos por m², que vendrán directamente condicionados por la altura y velocidad del vuelo, así como por las lentes y prestaciones del sensor fotográfico.

Los modelos obtenidos son Homogéneos y Continuos, obteniéndose de modo rápido, eficiente y sistemático, con excelentes precisiones planimétricas y altimétricas, que podríamos fijar por debajo de ± 2 cms., ofreciendo un continuo mantenimiento y actualización cartográfica a bajo coste, cortos plazos de ejecución y buenos resultados, evitando situaciones de peligrosidad para los operarios, eliminando arduos y tediosos trabajos en la toma de datos sobre zonas de difícil acceso y escasa visibilidad, etc. Además, montando sensores térmicos o cámaras multiespectrales se pueden detectar y prevenir, por temperatura y/u otras variables, algunas averías o situaciones que hasta ahora necesitaban de más tiempo, planificación, costes e implicaban poner en peligro vidas humanas.

Con la automatización de las distintas fases se consigue ganar en rapidez, pero estas soluciones automáticas no serán mejores si no se tienen presentes ciertas cuestiones. Con estas técnicas podemos hablar de obtener unas precisiones de ± 2 cms, si bien pueden existir algunos elementos como los bordillos, vías de tren, fachadas de edificaciones, escarpados, etc. donde existe una discontinuidad en la Z y que el software automático es propenso a realizar estos saltos o discontinuidades con un suavizado que falsea la realidad. Por ello, en presencia de elementos de este tipo, no debemos limitarnos a utilizar productos derivados como una Ortofoto o un MDE como punto de partida para los sucesivos trabajos a realizar, sino que se tendrán que aprovechar los datos fuente (pares estereoscópicos) para capturar breaklines o las líneas de rotura de los elementos de este tipo. Esta tarea es bastante sencilla con los actuales paquetes software, intuitivos y de sencillo manejo, que permiten al usuario no precisar de grandes conocimientos para la visualización, procesamiento y control de estas breaklines.

Ernesto Santana

Soy editor y administrador de XDrones.es, un portal web especializado en todo lo referente al mundo de las aeronaves no tripuladas (UAVs por su sigla en inglés) y/o drones.

1 Comentario

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  • Muy buenos tus comentarios y enseñanzas, te felicito.

    Soy un poco nuevo en esto y quiero invertir en un drone para utilizarlo con fines topograficos.

    Me han comentado que el Phantom 4 es muy utilizado, puedes recomendar alguno?

    Saludos desde Costa Rica.
    Julio Flores

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