Fotogrametría con Drones

La fotogrametría empieza a emplearse aproximadamente después de que se inventó la cámara fotográfica, en el año de 1858 se realiza la primera fotografía aérea y aunque el primer avión funcional autopropulsado, diseñado y creado por el francés Clément Ader que voló en 1890, no fue sino hasta la primera guerra mundial que se empezó a perfeccionar la técnica de la fotogrametría aérea, como precursora de la fotogrametría con drones, utilizando dispositivos mecánicos, con fines bélicos como mucho de los grandes inventos.

Después de 1924, la fotogrametría aérea resuelve muchos problemas de proyecciones, orientaciones, etc.; y empieza a ser más frecuente el uso de los equipos analógicos de restitución. Ya por los años 60’s, con la aparición de los ordenadores, se crea el restituidor analítico inventado por Uki Helava, con lo cual se perfeccionan las técnicas de aero triangulación.

A partir de la década de los 90’s, el rápido avance y abaratamiento de las computadoras personales permitió migrar del procedimiento analítico al digital, por estos años las cámaras digitales aun no llegaban a la calidad de una cámara de una analógica, y posteriormente se empleó la tecnología LIDAR mediante scanners de alta precisión.

Con el gran avance tecnológico actual se han encontrado diversas opciones más económicas para hacer fotogrametría aérea, con cámaras digitales con calidades de imágenes medidas en megapíxeles, las cuales alcanzan resoluciones de alta definición (1920X1080 pixeles) y ahora con la tecnología 4K o HD resoluciones de (3840 X 2160 pixeles) muy similares a las cámaras profesionales convencionales, así como a utilización de tarjetas muy pequeñas con grandes capacidades (Micro SDHC) para almacenar gran cantidad de imágenes digitales y montadas no en avionetas sino en vehículos aéreos no tripulados, surgiendo así lo que coloquialmente llamamos fotogrametría con drones.

De los diversos modos de llamarlo, en inglés Unmanned Aerial Vehicle (UAV) a la terminología usada en español Vehículo Aéreo No Tripulado (VANT), del cual frecuentemente se usa la terminología anglicista DRONE que traducido significa abeja macho o zángano, terminología que hemos adoptado erróneamente ya que no existe en el diccionario de la Real Academia de la lengua, también se le conoce como RPAS (Remotely Piloted Aircraft Sistem), traducido como “Sistema de avión pilotado a distancia”. Para este artículo lo denominaremos VANT.

Independientemente del nombre, este es un vehículo autopropulsado por un motor de explosión, de reacción o eléctrico, mismo que es capaz de mantenerse de modo autónomo, sostenido y con vuelo controlado manipulado desde tierra mediante un control remoto a una distancia considerable.


Fotogrametría con Drones

Existen diversos tipos de VANT, de acuerdo a su uso y sus características.

De acuerdo a sus características existen VANT de ala fija, multirrotores e híbridos.

Los multirrotores son aeronaves de ala rotatoria que poseen tres o más rotores, por lo que pueden ser tricopteros, quadcopteros en “X”, en “H” o en “+”, hexacópteros u octacópteros.

Las aeronaves de ala fija son aquellas cuyas alas se encuentran unidas con el resto de los elementos que conforman la aeronave y no tienen movimiento propio, asemejándose a un avión convencional, por lo que su perfil aerodinámico esta diseñado para crear diferencia de presión entre el intradós y el extradós, y los hay de ala alta, de ala media, de ala baja y de ala volante.

Las aeronaves híbridas son aquellas que pueden aterrizar y despegar de forma vertical como un helicóptero convencional y realizar vuelos de alta velocidad como uno de ala fija tradicional.

El tipo de VANT a utilizar para hacer vuelos y obtener imágenes para hacer fotogrametría dependerá de que tipo de levantamiento se requiera, y si es un área pequeña bastará con un multirrotor, pero si son distancias largas como las carreteras, por ejemplo, entonces será mejor utilizar uno de ala fija.

Ahora bien, sabiendo que la fotogrametría es una técnica para determinar las propiedades geométricas de los objetos y las situaciones espaciales a partir de imágenes fotográficas, lo que aquí llamaremos fotogrametría con drones, debido a que utilizaremos un VANT para obtener dichas imágenes o fotografías, lo que sigue será hablar del proceso que se sigue para obtener un ortofotomosaico, la cual es la unión de todas las fotos tomadas en un área, eliminando traslapes en una sola imagen, donde la distorsión por lejanía al eje focal de la cámara es casi nula.

Lo primero que debe tomarse en cuenta es el apoyo en campo, el cual consta de una red de puntos de control terrestre mediante coordenados X, Y, Z, colocados estratégicamente en el área a levantar, esto con la finalidad de ajustar los puntos obtenidos mediante las fotos digitales de la cámara que lleva el VANT, que aunque ya esté dotado de GPS, GNSS, y tengan ya coordenadas, éstas están en el aire a una altura diferente de la real que está en campo, por lo que estos puntos deberán verse en las fotos para posteriormente hacer el ajuste mediante el uso del software especializado.

Posteriormente lo que debe hacerse antes de iniciar el vuelo es realizar un “plan de vuelo”, es decir, delimitar el área a levantar, configurando las áreas de traslapes longitudinales y transversales, la altura de vuelo, del cual dependerá del grado de precisión deseado (GSD) medido en cm/pixel y de esta configuración resultará el tiempo de vuelo. Dicha configuración se hace mediante una aplicación que se instala en un dispositivo móvil, pudiendo ser un celular, una tableta o incluso desde una laptop.

Posteriormente se inicia el vuelo en campo, en caso de que no alcance la batería tendrá que llevarse otras de repuesto para volar por partes el área y cubrirlo por completo. Una vez realizado el vuelo se procede a descargar las fotografías digitales a una computadora y mediante un software llevar a cabo el procedimiento de restitución, convirtiendo estas imágenes 2D en píxeles en puntos coordenados X, Y y Z. Luego entonces se obtendrá una nube de puntos, enseguida se deberá limpiar, que no es otra cosa que eliminar puntos que estén fuera de contexto y puedan arrojar un dato erróneo a la hora de triangular dichos puntos, como pueden ser árboles, aves, o elementos físicos que no se requieran.

Una vez que se tenga la nube de puntos depurada se procede a crear una malla 3D mediante el método de triangulación con la que finalmente se obtiene el ortofotomosaico.

Cabe mencionar que la fotogrametría con drones, si está equipada con cámaras digitales estará limitada para algunos casos como por ejemplo en una zona densa de vegetación, ésta no tomará el suelo y por ende la información obtenida será la copa de los árboles o plantas que cubren la zona. En algunos casos esto puede resolverse si el VANT lleva un Scanner montado en vez de una cámara, ya que esta funciona con la tecnología lídar y lo que toma directamente es la nube de puntos al instante y no imágenes, por lo que algunos de estos millones de puntos puede penetrar entre las copas y tocar el fondo del suelo y con ello poder determinar la altura real de la zona. Entre las características que deberán tener estos drones tendrán que ser más grandes y pesados para poder llevar consigo un scanner, así como baterías más grandes lo cual limitaran el tiempo de vuelo; por lo que ahora mencionaremos las desventajas y ventajas que se tienen al realizar la fotogrametría con drones.

Las desventajas que se tienen es que las baterías son pequeñas en relación al tamaño del VANT, y por ende, es muy poco el tiempo que tienen para hacer los vuelos, limitando el tamaño del levantamiento, también debido al poco peso que tiene estas aeronaves no pueden volar en condiciones de viento no tan altos a los que pudiera soportar una avioneta por ejemplo, la altura máxima de vuelo estará limitada, y a mayor altura el GSD disminuirá y por ende la precisión también, como ya se comentó requiere de espacios abiertos para poder desarrollar el vuelo, entre otras.

Las ventajas que se tienen es que es sustancialmente más económico, ya que no se requiere de un piloto y de turbosina para poder realizar el vuelo, la seguridad del operador ya que no tiene que ingresar en la zona de trabajo, lo puede hacer desde un área diferente, el tamaño del VANT facilita la transportación del mismo y el costo de adquisición del equipo es bastante menor que el de una avioneta y el de las cámaras y los compensadores, así como los restituidores.

Conclusiones

Debemos entender que la fotogrametría con drones no siempre será la solución a los diferentes necesidades para conocer las características topográficas de un área, una vez que sabes cuáles son sus limitantes, ya que la altura tendrá todavía cierta deficiencia en cuanto a precisión, sin embargo realizando bien cada etapa de este proceso, y cuidando minuciosamente la realización del ajuste a través de los puntos de apoyo con coordenadas conocidas, se pueden tener resultados bastante satisfactorios, por lo que la topografía y la geodesia deben conocerse a profundidad; ya que el simple manejo de los VANT y un poco de conocimiento de los software no hace especialista a cualquier persona, esto deja ver que el ingeniero topógrafo, geodesta o geomático sigue siendo imprescindible en este tipo de trabajos.

Redactó
M.I. Ricardo Fritz López.