Topografía Con Drones - Tm

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA GEOLÓGICA

DEDICATORIA

El presente trabajo de investigación está dedicado principalmente a Dios, por darnos la oportunidad de vivir y por estar con nosotros en cada paso que damos, por fortalecer nuestros corazones e iluminar nuestras mentes y por haber puesto en nuestros caminos a aquellas personas que son nuestro soporte y compañía durante este periodo de estudio y preparación. Nuestras familias.

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AGRADECIMIENTO

Este trabajo de investigación es el esfuerzo de nosotros, pero también de aquellas personas que participaron de una manera indirecta; por tal motivo nuestro agradecimiento va dirigido a nuestras familias, que gracias a ellas estamos cursando una carrera profesional. Al docente del curso, por orientarnos por el camino de la investigación y por todos los conocimientos que nos son brindados día a día. Y a nuestra universidad, Universidad Nacional de Cajamarca, por abrirnos las puertas para acceder a una carrera universitaria, de tal manera llegar a ser profesionales de éxito y útiles para la sociedad y el Medio Ambiente.

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RESUMEN

En la actualidad la tecnología de Drones está transformando muchos campos en los que la fotografía aérea es una alternativa para la medición y procesamiento, en este caso mucho más económico en tiempo y costo para obtener información topográfica, mediante imágenes y aplicando técnicas fotogramétricas. Midiendo punto de apoyo y procesando las imágenes aéreas con un software específico como por ejemplo el Agisoft Photscan se pueden crear modelos digitales de elevación, mosaicos ortorectificados y georreferenciados además de nubes de puntos de alta resolución, modelos en 3D con precisión centimétrica que permiten el cálculo de curvas de nivel, medición de áreas y volúmenes y diversos productos que muestran la apariencia real del terreno. La utilización de Drones permite además, realizar tareas a baja altura, grabando en tiempo real y facilitando el relevamiento de zonas peligrosas o de difícil acceso y superar obstáculos diversos, de forma automatizada y sin poner en riesgo la seguridad personal.

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ABSTRACT

Today Drones technology is transforming many fields in which aerial photography is an alternative for measurement and processing, in this case much more economical in time and cost to obtain topographic information, using images and applying photogrammetric techniques. Measuring support point and processing aerial images with specific software such as Agisoft Photscan can be created digital elevation models, orthorectified and georeferenced mosaics in addition to highresolution point clouds, 3D models with centimeter accuracy that allow calculation Level curves, measurement of areas and volumes and various products that show the real appearance of the terrain. The use of Drones also allows to perform tasks at low altitude, recording in real time and facilitating the survey of dangerous or difficult areas to access and overcome various obstacles, in an automated way and without endangering personal safety.

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ÍNDICE

DEDICATORIA ............................................................................................................................... 1 AGRADECIMIENTO ...................................................................................................................... 2 RESUMEN....................................................................................................................................... 3 ABSTRACT..................................................................................................................................... 4 ÍNDICE ............................................................................................................................................. 5 ÍNDICE DE IMÁGENES ................................................................................................................ 6 INTRODUCCIÓN............................................................................................................................ 7 1.

CAPÍTULO I ............................................................................................................................ 8 1.1.

2.

OBJETIVOS .................................................................................................................... 8

1.1.1.

Objetivo general ...................................................................................................... 8

1.1.2.

Objetivos específicos ............................................................................................. 8

CAPÍTULO II ........................................................................................................................... 9 2.1.

MARCO TEÓRICO ......................................................................................................... 9

2.1.1.

¿Qué es un DRONE? ............................................................................................. 9

2.1.2.

La FOTOGRAMETRÍA .........................................................................................10

2.1.3.

METODOLOGÍA ................................................................................................... 11

PRODUCTOS FOTOGRAMÉTRICOS ................................................ ..............................16 CONCLUSIONES......................................................................................................................... 21 ANEXOS........................................................................................................................................ 22 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS - LINKOGRÁFICAS .......................................... ........... 23

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ÍNDICE DE IMÁGENES

Imagen. 1: Vista de un Drone. ...................................... ..................................................................... 9 Imagen. 2: Fotogrametría con Drones............................................................................................. 10 Imagen. 3: Levantamiento topográfico mediante Drones. .................................................... .......... 11 Imagen. 4: Realización del Plan de vuelo. ............ ........................................................................... 12 Imagen. 5: Definición de recorridos mediante Waypoints – Mission Planer. ..................................12 Imagen. 6: Apoyo topográfico mediante GPS Diferencial. .............................................................. 13 Imagen. 7: Descarga de imágenes obtenidas en el trayecto. ...... .................................................... 14 Imagen. 8: Procesamiento de imágenes, modificaciones, etc. ........................................................15 Imagen. 9: Mediante un Software se parametriza la superficie del terreno. .................................. 16 Imagen. 10: Imagen satelital georreferenciada. .............................................................................. 16 Imagen. 11: Modelo Digital de Superficie. ...................................................................................... 17 Imagen. 12: Nube de Puntos de Altura. ................... ....................................................................... 17 Imagen. 13: Modelo Digital del Terreno. .........................................................................................18 Imagen. 14: Obtención de Curvas de Nivel. ...................... ..............................................................18 Imagen. 15: Perfiles y cortes de la zona visada. .............................................................................. 19 Imagen. 16: Volúmenes y áreas superficiales. ................................................................................. 19 Imagen. 17: Documento 3D PDF. .................................................................................................... 20

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INTRODUCCIÓN La tecnología siempre ha formado parte de la evolución del hombre y en el desarrollo de sus procesos metodológicos, para la toma de datos y medición, en las áreas de las ciencias exactas podemos observar la creación de nuevas tecnologías que ofrecen una mayor versatilidad y nuevos campos de estudio hasta el momento desconocido o difícil de alcanzar. (Colorado, 2015) Al unir la tecnología Drone con los nuevos conceptos de modelación de terrenos y espacios en conjunto con los nuevos conceptos de modelación de terrenos y espacios en conjunto con los nuevos software y existentes se logra un gran avance, debido a la versatilidad y economía de los procesos hasta ahora desconocidos, los factores de seguridad y comodidad, la agilidad con la que se lleva a cabo estos procesos de reconocimiento. (Colorado, 2015) En general la mayor parte de las nuevas tecnologías y descubrimientos del ser humano han sido impulsadas y financiadas con fines militares o de defensa, es así como la fotografía o escáner, la cartografía, la fotogrametría, han ido implementando nuevas tecnologías para incrementar su rendimiento en labores en campo que aminoren los costos y el riesgo humano al poner tripulantes en una aeronave. Uno de los inventos de esta época es el DRONE O VANT (Vehículo aéreo no tripulado). (Colorado, 2015)

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1. CAPÍTULO I 1.1.

OBJETIVOS 1.1.1. Objetivo general Conocer acerca de las nuevas tecnologías y hacer una descripción de los DRONE o VANT (Vehículo aéreo no tripulado), sus orígenes, sus aplicaciones, sus objetivos, sus ventajas y sus desventajas en el área de la topografía. 1.1.2. Objetivos específicos -

Identificar ciertos métodos utilizados para hacer reconocimientos topográficos.

-

Mostrar cómo se han unido los conceptos de la topografía, la topografía, la fotogrametría y la tecnología Drone para ofrecer más agilidad y comodidad en la representación de un área en estudio.

-

Conocer de qué manera afecta esta nueva tecnología a los diferentes procesos de la topografía y la representación del terreno: en cuanto a rendimientos, economía, tiempo y el medio ambiente.

-

Conocer los nombres y aplicación de este tipo de aparatos modernos, usados como herramientas para la fotogrametría y la producción de cartografías entre otras más ciencias.

-

Indagar acerca de nuevas y recientes tecnologías alternas a la fotogrametría como medio para definir las características de objetos en el espacio y particularmente sobre la tierra.

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2. CAPÍTULO II 2.1.

MARCO TEÓRICO 2.1.1. ¿Qué es un DRONE? La sigla DRONE que se traduce: (zángano) Aeronave no tripulada, robot aéreo entre otros, el termino se adaptó para el lenguaje Español, pero en realidad su nombre original en idioma Ingles es: UAV “Unmanned Aerial Vehicle” o UAS “Unmanned Aerial System”. (Colorado, 2015)

Inicialmente estos dispositivos fueron diseñados para uso militar, ya que permiten hacer misiones de vuelo sin tripulantes guiados a control remoto desde la tierra sin sacrificar la seguridad de un piloto. (Colorado, 2015) El DRONE, es un equipo de navegación autónomo que posee características técnicas particulares para realizar trabajos de todo tipo, se pueden utilizar tanto en el exterior como en el interior de algunos espacios, se le pueden incorporar como carga útil diferentes tipos de sensores ópticos: cámaras de video, cámaras fotográficas de espectro visible, infrarrojo, etc. e incluso otro tipo de sensores. Puede desarrollar diferentes alturas de vuelo (desde 1m. hasta 500m.) en vuelos totalmente automáticos programados y programados de modo remoto o de forma manual mediante un mando de radiocontrol. (Sobrino, 2006)

Imagen. 1: Vista de un Drone.

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2.1.2. La FOTOGRAMETRÍA La Fotogrametría con Drones se ha convertido en una herramienta rápida para obtener datos de campo, aunque lamentablemente se ha tratado de desplazar la mano de obra humana afirmando que estos equipos pueden reemplazar a los topógrafos de campo, tal vez en un futuro cercano se logre, pero por lo pronto se ha demostrado que aunque esta técnica arroja resultados relativamente buenos, aun no se ha logrado precisiones superiores a los 20 cm en condiciones ideales, agregando a esto la precisión en coordenadas (z) de los sistemas GPS que actualmente no e s tan alta como en (x,y). (Colorado, 2015) Según Boneval , la Fotogrametría se define como “la ciencia cuyo objetivo es estudiar y definir con precisión la forma, dimensiones y posición en el espacio de un objeto cualquiera utilizando esencialmente medidas hechas sobre una o varias fotografías de ese objeto ”. (Sobrino, 2006) Una definición más actualizada que nos da la Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección (ASPRS) es “el arte, ciencia y tecnología

para la obtención de medidas fiables de objetos físicos y su entorno, a través de grabación, medida e interpretación de imágenes y patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos” . Esta última

definición es más amplia, abarcando técnicas modernas. (Sobrino, 2006). En cualquier caso podemos decir que la Fotogrametría es la ciencia que nos permite, a partir de fotografías, ya sean aéreas o terrestres, obtener las medidas del objeto fotografiado. (Sobrino, 2006)

Imagen. 2: Fotogrametría con Drones.

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2.1.3. METODOLOGÍA Un levantamiento topográfico mediante Drones se basa en la utilización de los rayos de la luz del sol reflejados por los objetos de la superficie de la tierra, lo cual ocurre en la porción visible (RGB) del espectro electromagnético. Dichos rayos, llamados también la reflectancia, son capturados en fotografías aéreas por el combo Cámara – GPS instalado en un DRONE. Las medidas de los objetos, incluyendo la altura del t erreno se calculan a partir de la Fotogrametría (relaciones de medidas en triángulos semejantes de distancias en fotos versus distancias en terreno). (Navione, 2016)

Imagen. 3: Levantamiento topográfico mediante Drones.

Las etapas para la obtención de un producto cartográfico comprenden cuatro fases importantes, para la obtención de los datos y para el procesado de los mismos: planificación de vuelo, apoyo terrestre,

registro fotográfico, procesado de las imágenes y cálculos. (Aira, 2014) 2.1.3.1.

Plan de vuelo. El diseño del vuelo se hace en función de la revolución o de la escala que se pretenda obtener, del tipo de terreno, su ubicación, sus detalles, la extensión a relevar y condiciones meteorológicas imperantes, fundamentalmente la velocidad del viento. (Aira, 2014)

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En líneas generales, se realiza un plan de vuelo definiendo recorridos con waypoints que constituyen la ruta que seguirá el Drone capturando imágenes. (Aira, 2014) Para delimitación de la zona de vuelo se utiliza una imagen georreferenciada que se puede obtener de Google Earth o de otra plataforma, tal imagen es exportada a un software especializado como por ejemplo

M i s s i o n P l an n e r desde

el cual se planifica las

diferentes misiones. (Aira, 2014) En dicho software se programan los recorridos ingresando parámetros tales como distancia entre tomas, porcentajes de superposición entre las imágenes consecutivas, altura de vuelo, tiempo de obturación de la cámara, velocidad de ascenso o desplazamiento del aparato; además se marcan los waypoints sobre los que se producirán los registros fotográficos. (Aira, 2014)

Imagen. 4: Realización del Plan de vuelo.

Imagen. 5: Definición de recorridos mediante Waypoints – Mission Planer.

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Cada misión y sus valores asociados se guardan en la memoria del piloto automático para la realización del vuelo y para su posterior utilización en postproceso. (Aira, 2014) 2.1.3.2.

Apoyo topográfico. Para el apoyo topográfico se colocan referencias o señales en toda la superficie a fotografiar para la obtención de los puntos de apoyo con coordenadas UTM (GPS Diferencial). Estos puntos servirán para transformar el modelo fotogramétrico en modelo del terreno. Las precisiones de los puntos de apoyo están acordes con la escala del producto. Además de obtener la posición de los puntos sobre el terreno, estos también deben identificarse claramente en la fotografías, para poder establecer una correcta correlación. (Aira, 2014)

Imagen. 6: Apoyo topográfico mediante GPS Diferencial.

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2.1.3.3.

Toma fotográfica. Las imágenes se obtienen según el plan de vuelo planificado, entonces se registra una imagen en cada punto waypoint programado. Mientras esto ocurre se puede visualizar en tiempo real toda la información de telemetría, estado del dispositivo y posición del mismo así como también se puede hacer un seguimiento en tiempo real del DRONE a través de la cámara de video que lleva a bordo. (Aira, 2014) Las imágenes se guardan en la memoria de almacenamiento de la cámara y tras finalizar el vuelo se realizará en gabinete la descarga de datos de telemetría de vuelo e imágenes para el posterior procesamiento de dicha información asociando los datos de vuelo al momento de toma de cada imagen. (Aira, 2014)

Imagen. 7: Descarga de imágenes obtenidas en el trayecto.

2.1.3.4.

Procesado y cálculo. Una vez tomadas las fotografías con sus parámetros asociados que aparecen en la telemetría descargada y que será utilizada para corregir la perspectiva de cada imagen y obtenidas las coordenadas de los puntos de apoyo, se realiza el cálculo de los parámetros de orientación externa de cada una de las fotografías. (Aira, 2014) Los datos asociados a cada imagen son: -

Coordenadas GPS (Latitud y Longitud).

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-

Actitud del DRONE (Yaw, pitch y roll, la rotación de la nave en los tres ejes de navegación).

-

Altura del vuelo.

-

Distancia focal de la cámara.

Imagen. 8: Procesamiento de imágenes, modificaciones, etc.

Para este trabajo, el procesamiento de las imágenes se realiza con el programa

A g i s o f t P h o t o s c a n que

es un software destinado a

crear modelos 3D de alta calidad a partir de imágenes tomadas desde puntos de vista de cámaras conocidas, basada en la tecnología de reconstrucción 3D Multivisión. (Aira, 2014) Este software soluciona los parámetros de orientación interna y externa de la cámara y posteriormente, a través de un algoritmo propio, encuentra las ubicaciones de las cámaras aproximadamente y las ajusta utilizando otro algoritmo de ajuste tipo “haz”. Luego,

reconstruye la superficie a través de dos opciones:

a) Método suave y lento que genera mapas de profundidad para formar la malla de objeto.

b) Método rápido que utiliza un enfoque de múltiples vistas para realizar la geometría del objeto.

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Por último, el

Agisoft Photoscan

parametriza la superficie del

modelo asignándole a cada parte de la malla un trozo de la imagen, creando así un mapa de textura. (Aira, 2014)

Imagen. 9: Mediante un Software se parametriza la superficie del terreno.

2.1.4. PRODUCTOS FOTOGRAMÉTRICOS La topografía digital con DRONES genera los siguientes productos: 2.1.4.1.

Ortofoto. Imagen obtenida de manera casi ortogonal al terreno, s in distorsión que le permite al usuario medir longitudes y áreas con muy poco error. Su resolución se mide en cm/px. Esta foto también se entrega en Google Earth, junto con la ortofoto georreferenciada en formato PDF. (Navione, 2016)

Imagen. 10: Imagen satelital georreferenciada.

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2.1.4.2.

DSM – Modelo Digital de Superficie. Superficie continua que refleja la superficie del terreno teniendo en cuenta la altura de la infraestructura y de los árboles. (Navione, 2016)

Imagen. 11: Modelo Digital de Superficie.

2.1.4.3.

Nube de puntos de altura. Conjunto de puntos (3D) que permiten clasificar las alturas, como si fueran rayos que han impactado a lo largo de la superficie. (Navione, 2016)

Imagen. 12: Nube de Puntos de Altura.

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2.1.4.4.

DTM – Modelo Digital del Terreno o Superficie Continua. Refleja el terreno topográfico o altura del terreno mismo, donde desarrollan sus actividades los humanos, este queda limpio de infraestructura y de árboles. (Navione, 2016)

Imagen. 13: Modelo Digital del Terreno.

2.1.4.5. Curvas de Nivel. Curvas equipotenciales o contornos de las alturas del terreno representadas en líneas y generalmente obtenidas del DTM. (Navione, 2016)

Imagen. 14: Obtención de Curvas de Nivel.

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2.1.4.6.

Perfiles y Cortes. Cortes hechos a partir de DTM o del DSM para ver las alturas específicas a cierta distancia desde un eje específico. La imagen inferior representa un corte transversal de una zona de mapeo en donde se muestra la altura de la superficie y la altura del terreno. (Navione, 2016)

Imagen. 15: Perfiles y cortes de la zona visada.

2.1.4.7.

Volúmenes y Áreas Superficiales. Se pueden obtener a partir de los modelos tridimensionales anteriores. Los volúmenes de excavación o de lleno son comunes y fáciles de obtener con esta información. (Navione, 2016)

Imagen. 16: Volúmenes y áreas superficiales.

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2.1.4.8.

3D PDF. Documento en formato PDF que contiene las alturas de los edificios, infraestructura y la herramienta que permite hacer medición de distancias. (Navione, 2016)

Imagen. 17: Documento 3D PDF.

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CONCLUSIONES

El DRONE o VANT (Vehículo aéreo no tripulado) brinda grandes ventajas en el campo de la Topografía, de esta manera complementa los conocimientos del hombre. La fotogrametría y la topografía son parte esencial de cualquier obra de infraestructura antes, durante y después del proceso constructivo, es de vital importancia conocer la morfología del sitio y la ubicación con respecto a un sistema de referencia y apoyado con imágenes del sitio a estudiar y posterior a esto la representación gráfica del sitio con todos sus elementos. La fotografía aérea es de gran ayuda en los procesos de toma de datos, diseño y proyección de cualquier actividad relacionada con la ingeniería, aunque no reemplazará del todo la topografía convencional, sobre todo en el proceso de replanteo de las obras propuestas.

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ANEXOS

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS – LINKOGRÁFICAS

Aira, V. G. (2014). APLICACIONES TOPOGRÁFICAS DE LOS DRONES. Buenos Aires. PDF

Colorado, C. A. (2015). Tecnología Dron en Levantamientos Topográficos. Bogotá: Escuela de Ingenieros Militares. PDF

Navione. (2016). Tpografía con Drones. Drone Services. PDF

Sobrino, J. A. (2006). Introducción a la Fotogrametría. Madrid: E.T.S.I. PDF

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Topografía Con Drones - Tm

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