Fotogrametría con Dron

INTRODUCCIÓN

Los avances en este campo y la profusión de aeronaves y software han popularizado y simplificado este tipo de trabajos, que no siempre van orientados a obtener resultados profesionales, proporcionando a nivel básico resultados muy vistosos, pero de baja calidad.

En este artículo vamos a explicar los medios adquiridos y procesos que desarrollamos en ICTSurvey.eu Oficina Técnica y Topografía Mallorca para conseguir productos cartográficos de alta calidad a partir de imágenes aéreas obtenidas por RPA (Remotely Piloted Aircraft), también genéricamente conocido como "dron".

En cuanto al hardware y software, nos hemos decantado por DJI Phantom 4 Pro y Pix4D Mapper después de analizar las características de las aeronaves de consumo semiprofesional y las capacidades de procesamiento de software que existen en el mercado. Los motivos para esta elección se irán mencionando a lo largo del artículo.

PLANIFICACIÓN DEL VUELO

La localización, topografía del área a cartografíar y el objetivo o destino de los productos finales son determinantes a la hora de planificar un vuelo fotogramétrico con RPA.

• Localización: más allá de la propia logística necesaria para el desplazamiento al lugar, la localización es fundamental desde el punto de vista de seguridad aérea. Las restricciones y permisos para el desarrollo del vuelo deben conocerse con anterioridad de manera que puedan solicitarse con previsión suficiente. Para ello es de máxima utilidad la página de ENAIRE DRONES, donde se encuentra detallado el espacio áereo y los condicionantes de la operación de obligado cumplimiento. Los vuelos deben realizarse dentro de la más absoluta legalidad. ICTSurvey.eu Oficina Tñecnica y Topografía Mallorca es Operador Registrado en AESA para la realización de vuelos VLOS.
• Topografía: Por un lado las dimensiones y por otro lado la orografía van a determinar los vuelos parciales por VLOS, el punto de despegue, la altura máxima del vuelo, el solape de las imágenes y la duración inicial del vuelo/s
• Objetivo: Las aplicaciones son diversas. Si se trata de un trabajo castastral o de cubicaciones aproximadas, la altimetría no es tan importante, pudiendo volar muy alto con un GSD mayor pero con pérdida de perspectiva. Por el contrario, si el objetivo es obtener una ortofotografía precisa o un DTM para obtener perfiles de una carretera, es necesario un GSD menor volando bajo y aumentar el solape para maximizar los puntos comunes.

De este modo analizamos y determinamos, además del espacio aéreo:

• GSD: Ground Sampling Data es la dimensión del pixel en terreno medido en cm/pixel. Viene determinado por la dimensión del pixel en el sensor CMOS, la distancia focal del objetivo y la altura de vuelo. A menor GSD más precisión tras el proceso de tratamiento. Pix4D Mapper proporciona típicamente precisiones de 2 y 3 píxeles en planimetría y altimetría respectivamente.
• Solape de las imágenes: en función de la ondulación del terreno y los desniveles respecto al punto de despeque. Pretendemos conseguir solapes nunca inferiores al 70%
• Altura de vuelo: Optimizando el GSD para la superficie a cubrir (número de fotografías) y el tiempo de vuelo
• Tipo de obturador: Global shutter o rolling shutter. Siempre de tipo global para evitar la deformación en las imagenes provocadas por movimiento durante el tiempo de lectura del sensor fila a fila. Esta no es una característica habitual en los drones de consumo semiprofesionales. ICTSurvey.eu adquirió un DJI Phantom 4 Pro debido a este motivo. Las imágenes con obturadores de tipo "rolling shutter" requieren de toma de imágenes estacionarias (hover) o algoritmos de cálculo que corrijan en mayor o menor medida este efecto, pero sin llegar a corregirlo del todo. Pix4D Mapper implementa, a opción del usuario, un algoritmo de interpolación que minimiza esta deformación.
• Velocidad de obturación: va a determinar la exposición, profundidad de campo y ruido de la imagen junto a la sensibilidad ISO y la apertura de diafragma. Las  imágenes perfectas para fotogrametría son aquellas nítidas, bien iluminadas, sin ruido y con elevada profundidad de campo. Normalmente elegiremos velocidades de obturación altas por ir el dron en movimiento, pero esto obligará en ocasiones a aumentar la sensibilidad ISO (mayor ruido en la imagen) o elegir mayor apertura de diafragma (menor profundidad de campo). 
• Velocidad de vuelo: para evitar el "arrastre de pixel" o imágenes borrosas dedido al desplazamiento deL dron (u objeto) durante la exposición. Está relacionado directamente con la velocidad de obturación y altura de vuelo. Tenderemos a las mayores velocidades posibles para minimizar el tiempo de vuelo pero sin arriesgar imágenes infraexpuestas.
• Zonificación de vuelos parciales: Condicionados por la orografía, las dimensiones del área a cartografíar en VLOS y duración de las baterías.
• Número y ubicación de los apoyos: En ICTSurvey.eu no concebimos un trabajo fotogramétrico sin apoyos, ni incluso empleando aeronaves con RTK. El ajuste, precisión e información de calidad que aportan los GCP son imprescindibles en trabajos de calidad.

OPERACIÓN DE VUELO

• GCP: Marcado de los puntos de apoyo sobre el terreno y toma de coordenadas con GNSS: Siempre marcamos más de los extrictamente necesarios para en postroceso elegir cuales actuarán como GCP de ajuste y cuales de "check points"
• Checklists: Revisaremos los puntos de seguridad operacional y aseguraremos llevar todos los equipos y documentación en vigor.
• Asistente de Vuelo: Programación del asistente de vuelo en conforme al Plan de Vuelo. En ICTSurvey.eu Oficina Tñecnica y Topografía Mallorca hemos analizado los asistentes de vuelo disponibles, habiendo descartado los simples para operaciones "automáticas" porque no proporcionan control en la mayoría de los parámetros que aportan el plus de calidad que ICTSurvey.eu pretende. Apostamos por DJI Ground Station Pro sobre Ipad Pro porque no necesita clientes intermedios. Es en realidad una aplicación dentro de DJI GO4 que aporta control total sobre los parámetros de seguridad y de configuración de la cámara en todo momento. De este modo conseguimos las mejores imágenes para mejorar los resultados de post-procesado.
• Encendido y arranque de motores: Puesta en marcha de la aeronave, revisando los cheklists de estado y espacio aéreo. Se procede al arranque de motores.
• Vuelo: Siempre con piloto y observador controlando datos de telemetría y posición en todo momento.
• Aterrizaje: Una vez finalizado el vuelo y aterrizado el dron, se procede al apagado del sistema y a la comprobación de la calidad de las imágenes.

PROCESADO DE IMÁGENES

Pix4D Mapper es nuestro software de mapping preferido de entre los que hemos analizado. Es una inversión costosa comparada con sus competidores pero, a nuestro juicio, la más profesional. Tiene la capacidad de procesar directamente en la nube o en local "paso a paso", siendo esta nuestra opción predeterminada para mayor calidad.

Paso 1: Elección del sistema de coordenadas de entrada, de salida, datum altimétrico datos de la cámara, tipo de emparejamiento y calibración. Se obtiene el primer juego de puntos de paso automáticos "matches" y ciertos parámetros de calidad. De entre ellos el más importante es la variación de los datos de calibración de cámara obtenidos con los predeterminados. Valores por encima del 1% son corregidos modificando la configuración convenientemente y repitiendo el proceso

Paso 1A: Asignación de Puntos de Apoyo, Puntos de Control y Puntos de Paso Manuales. Se optimiza posteriormente obteniéndose de nuevo el conjunto de "matches" más denso que la primera vez. Se comprueban los resultados del reporte de calidad.

Paso 2: Densificación de la nube de puntos y clasificación automática. Habitualmente elegimos un área de procesamiento para "limpiar" los bordes.

Paso 2A: Clasificación manual de la nube de puntos. Depuración de la clasificación automática para limpiar ruido residual y mejorar el DTM. De lo contrario permanecen como terreno elementos que no lo son (edificios, árboles, etc) y pueden faltar zonas clasificados como "no-ground". Obtención de la nube de puntos final LAS.

Paso 3: Generación del DSM, DTM y Ortofoto. Se eligen las resoluciones acorde a las necesidades y objetivo del trabajo.

POST-PROCESADO Y RESULTADO FINAL

Una vez obtenidos los "outputs" desde el software de mapping es necesario integrarlos con otros datos, completar o depurar el modelo digital de elevaciones, etc. Los casos son siempre diversos, siendo necesario el empleo de distintas técnicas para cada uno de ellos. Sirva a modo de ejemplo:

• Para visualizar las ortofotos, modelos digitales del terreno y nube de puntos 3D y obtener información del terreno por cualquier usuario sin necesidad de software o conocimientos avanzados empleamos la plataforma Pix4D Cloud. Adjuntamos videos
• Para integrar y mezclar las ortofotos con otras anteriores o de otra procedencia emplearemos herramientas de manipulación ráster tales como los SIG.
• Para integrar con DTM o LAS de otras procedencias también emplearemos herramientas ráster o vectoriales tales como los SIG y CAD.
• Para completar el DTM por los vacios de árboles, etc, podremos incluir datos GPS tomados en campo o vectorizados. Dependiendo del caso usaremos SIG o CAD, pudiendo mezclar datos ráster y vectoriales.

RECOMENDACIONES

Siga las recomendaciones de AESA antes de contratar un trabajo aéreo. Ver archivo

Confirme que se tienen los permisos y autorizaciones necesarias

Confirme los productos resultantes que obtendrá y si el plan de operaciones lo permite.

Exija Reporte de Calidad y compruebe que los valores GSD, REMC de la georreferenciación (raiz del error medio cuadrático), residuos de los puntos de control, sistema de coordenadas y resolución de los resultados son satisfactorios y acorde a sus necesidades.

Llámenos y estaremos encantados de confeccionar una propuesta técnico-económica ajustada a sus necesidades.

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