LEÓN GEMELO DIGITAL
COMO LO HICIMOS
PROCESO DE TRABAJO
Planificación del trabajo de campo
A la hora de hacer la planificación de los vuelos en gabinete, se optó por realizar misiones conocidas como oblicuas. Son misiones en las que, configuras los parámetros y haces los vuelos de forma autónoma. Se escogió este tipo de misión debido a que organiza 5 vuelos sobre el área de la que se desean tomar los datos.
El área a volar en total fueron 450.000 metros cuadrados, está superficie se dividió en 20 misiones, para poder realizar los vuelos de la forma más segura, sin perder el dron de vista, vuelo VLOS (“Visual Line of Sight”), y también para no perder la señal entre el dron y la consola.
Debido a la cantidad de edificios y a la altura de estos era muy fácil perderlo de vista, por eso se planteó hacer vuelos pequeños en zonas concretas e ir moviéndose a pie por todo el centro haciendo varios despegues y aterrizajes. Y como mencionamos anteriormente también se planificó así, porque los edificios más antiguos están construidos con unos materiales muy gruesos, que hacen que si el dron por poco que se aleje pierda la señal.
Izq. posición cenital. Drch. posición angular.
Otro parámetro que se ajustó en el sensor fue la cantidad de rebotes que se querían. El LiDAR de DJI Zenmuse L1, puede tener como máximo 3 rebotes, esto es la cantidad de veces que puede enviar un mismo punto para ver la frondosidad de un objeto. Aquí realmente no era necesario, ya que solo nos servirá para conocer la frondosidad de la vegetación, que aunque no era nuestro objetivo decidimos obtenerlos igual.
La velocidad de los vuelos fue de 5 m/s se tuvo que elegir esta velocidad por que es la máxima permitida para un vuelo en zona urbana con vuelo de escenario STS-ES-01. Pero esta velocidad al ser tan baja permite hacer una gran captura de datos.
La altura que se eligió fue entre 70 y 80 metros, se eligió en función al edificio más alto había en nuestra ruta, en este caso es la torre sur de la catedral de León, llegando a medir 68 metros.
Hasta ahora hemos hablado de la configuración del dron, ahora vamos hablar de la configuración del sensor LiDAR.
Para el sensor LiDAR se modificaron los parámetros de solape entre pasadas subiéndolo a un 70%, esto hace que cada pasada que da el dron, solape un 70% de la información que está tomando, con la información que tomó en la pasada anterior.
Fuente: https://buenosaires.gob.ar
PROCESO DE TRABAJO
Trabajo de campo
Para llevar a cabo el trabajo de campo siempre estuvieron dos personas, el piloto principal y una persona de apoyo, que se encargaba de deambular por las calles sin perder de vista el dron, por si había algún problema.
Una vez se llega al punto donde se va a despegar, se despliegan los conos y la cinta para delimitar la zona, se enciende el dron y se deja calentar la IMU del sensor LiDAR.
Mientras está calentando la IMU (10-15 min), se realiza la inspección del dron, hélices, que la estructura no esté dañada, que los brazos estén bloqueados, que las baterías estén correctas, que los paracaídas estén bien anclados y una vez hecha la revisión, se hace la llamada a Torre del Control del aeropuerto de León, para indicar quienes somos, donde estamos, a que altura vamos a volar y cuánto tiempo durará el vuelo, si el tráfico aéreo lo permite, dan “luz verde” y se procede al despegue (si la IMU ha terminado de calentar).
A la hora de realizar los vuelos, primero despegamos a mano y cuando el dron está a una altura segura, se envía la misión desde la consola, entonces el dron automáticamente comienza a funcionar. Primero se desplaza hasta la zona de inicio de toma de datos y hace una calibración de la IMU, esto consiste en ir tres veces hacia delante y tres hacia atrás, en el punto de inicio de la toma de datos, para que la IMU coja una buena señal. Y una vez terminada la calibración, comienza la toma de datos.
La duración de los vuelos varían dependiendo del tamaño del área de la misión, en este caso desde 4 minutos en las áreas más pequeñas y 15 minutos en las áreas más grandes.
Cuando la batería estaba apunto de acabarse (siempre dejando un porcentaje de seguridad que asegure la llegada al punto de aterrizaje) se lleva el dron manualmente hasta el punto de aterrizaje y se hace descender. Una vez esté en tierra, se llama a Torre de Control para avisar de que el dron está en tierra hasta nuevo aviso.
Se hace un cambio de baterías, en este caso se hizo un cambio en “caliente”, esto consiste en, cómo lleva dos baterías al quitar solo una el dron se mantiene un tiempo encendido aprovechamos y se mete otra cargada y luego igual con la otra batería, así nos aseguramos que el dron no se apaga. Esto se hace porque cada vez que el dron se enciende la IMU tiene que calentar, aunque se acabe de aterrizar y porque así mantenemos de forma más exacta la ubicación GPS, ya que cada vez que se apaga y se enciende, se recalcula la posición.
Cuando ya está todo listo, se vuelve a llamar a Torre de Control antes de despegar, y si dan “luz verde”, repetiremos el mismo proceso, así hasta realizar las 20 misiones.
Proceso de trabajo
Procesado de datos
Procesamiento del LiDAR
- Tiempo de procesamiento: 9 horas 15 minutos.
- Error de trayectoria de IMU: X = 0.00657 m, Y = 0.0592 m, Z = 0.00617 m.
- Densidad de puntos: 1708 puntos/m2.
De esta forma se obtienen los datos brutos; es decir, la nube de puntos sin procesamiento y con información únicamente del posicionamiento de cada punto. Ahora pasamos a procesarla, para poder obtener los datos que nos interesen. En esta web se puede obtener la nube de puntos pura para tener la posibilidad de procesarla como uno prefiera.
Primero se hace una revisión de los datos, ya que es normal en nubes de puntos encontrar “outlier”. Estos son puntos que se han tomado por error ya sea por fallo de GPS o porque el pulso láser rebotó con un pájaro.
En este caso, se hizo de dos pasos, uno que fue eliminando los puntos que estaban por debajo de 0 m y por encima de 68 m (punto del edificio más alto), esto se realizó con una herramienta del programa FUSION y después de forma manual, los puntos que se encontraban por encima de las casa que eran minoría se eliminaron a mano, con el programa CloudCompare.
También se generó un perímetro a mano con el fin de recortar la nube de puntos y eliminar el efecto borde, ya que estas son zonas con una densidad más baja de puntos y por tanto nos podría generar inexactitudes a la hora de obtener los datos.
Nube de puntos LiDAR (Pintado de elevaciones)
Una vez se ha limpiado y preparado la nube de puntos, se extraen los datos en este caso se han extraído las alturas de los edificios de la siguiente manera.
A través del programa FUSION, se han calculado dos capas raster, esto es una sucesión de píxeles colocados formando una cuadrícula, en función del tamaño de la capa tendrá más o menos píxeles y cada píxel representará un valor, en este caso un valor de altura.
Las capas que se obtienen, debido a la densidad de puntos se optó por extraer capas con gran precisión de 0,25 cm, y se extrajo un Modelo Digital de Terreno (MDT), que representa la altitud del terreno sobre el nivel del mar, es como si se hubieran eliminado los edificios y se quedará solo con el relieve del terreno. Y la otra capa el Modelo Digital de Superficie (MDS), que esta representa la altitud de la superficie sobre el nivel del mar, es como si a la ciudad le pusieramos una sábana encima y nos quedaremos con la forma que esta generará, el relieve de los edificios, monumentos, árboles…
DTM Casco Histórico.
DSM Casco Histórico.
Con las capas anteriores (MDS y MDT) se hace una resta, esto es posible ya que el tamaño de píxel es el mismo y como dijimos anteriormente los píxeles tienen valores. Lo que se hace es restar esos valores, en el orden de MDS – MDT, obteniendo las alturas de los elementos, edificios, árboles, monumentos…
Valor del píxel en la torre más alta de la catedral, representando la altura de esta.
Modelo Digital de Elevaciones (MDE)
Procesamiento fotogramétrico
Por otra parte, de las imagenes que obtiene el sensor LiDAR para pintar la nube de puntos de color real (RGB), se aprovecharon para hacer un trabajo de fotogrametría. Hay un pequeño problema con las imágenes y es que el día que se voló la parte noroeste, hizo más sol que el resto de los días y por ello se ve como está mucho más claro.
Para realizar estos trabajos se ha usado el programa Drone2MAp, un programa especializado en el procesamiento de imágenes de dron. En esta aplicación se cargan las imágenes del vuelo y le ponemos los parámetros con los que queremos procesar.
Para la creación del mapa por ortofotos se genera a partir del reconocimiento de los objetos en diferentes imágenes, lo que anteriormente vimos como solape. El programa lo identifica y automáticamente por el posicionamiento GPS de las imágenes en el vuelo, va generando un mosaico de imágenes solapadas, que luego perfila y arregla hasta que devuelve como producto el ortomapa. En este caso es de muy alta precisión, siendo el tamaño de píxel de 2 cm.
En la creación de modelos 3D del casco histórico de León, se utilizó la técnica de pares estereoscópicos, es similar a la técnica de mosaicos, teniendo dos o más imágenes similares y solapando las de una forma específica y con unos aparatos para ver, lo que se consigue es crear un efecto visual en 3D de los diferentes elementos. Pues el programa Dron2Map es capaz de digitalizar este efecto, ofreciendo modelos en 3D tan asombrosos, como el del centro histórico del centro de León.