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El proceso de determinación de alturas de vuelo en fotogrametría, incluyendo la importancia de terrenos planos frente a montañosos y las ecuaciones utilizadas para calcular la altura absoluta y media de vuelo. Además, se discuten las tolerancias necesarias para mantener un recubrimiento uniforme en zonas montañosas.
Tipo: Resúmenes
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Ing. Msc WILLIAM BARRAGÁN ZAQUE UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C.
El diseño de un vuelo fotogramétrico tiene como fin poder representar sobre un mapa con una escala adecuada las líneas de vuelo que se deben seguir, los puntos de captura de las imágenes y la altura de vuelo. Este trabajo plantea la adaptación del diseño de un vuelo fotogramétrico que normalmente se realiza desde una aeronave tripulada para poder realizarlo con un RPA^1 , esto con el fin de poder implementar esta técnica de captura de datos para el apoyo de pequeños, medianos y grandes proyectos de ingeniería de una forma más eficiente y económica. El correcto diseño del vuelo mejora la precisión de la información abstraída de los terrenos, la cual finalmente se verá reflejada en los entregables finales de los vuelos como lo son los ortomosaicos, MDT^2 , curvas de nivel, nubes de puntos densas entre otros. Para el desarrollo de este trabajo fue necesario indagar sobre fotogrametría, cámaras digitales, y programación básica, todo esto con el fin de crear una interfaz capas de suministrarle al usuario los parámetros básicos indispensables para llevar a cabo un vuelo fotogramétrico. Las ecuaciones que fueron usadas son adaptaciones del manual de diseño de vuelos fotogramétricos creado por el CIAF^3 en el año 1981 y para poder calcular los parámetros necesarios se optó por usar el programa Matlab y su aplicativo GUI^4 el cual permite crear interfaces capases de solucionar algoritmos programados de una forma rápida y de una forma muy amigable para los usuarios. Los vuelos fotogramétricos deben tener una secuencia lógica, y el cálculo de sus parámetros van en función del tipo de terreno donde se van a realizar, si se tiene un terreno plano los problemas no son mayores por que las alturas de vuelo sobre terreno no varían de forma que puedan llegar a afectar la calidad de la información, pero por otro lado volar sobre terrenos montañosos implica establecer unos rangos de tolerancia donde las alturas de vuelo cumplan con el traslapo y la escala determinadas por el usuario. Esta metodología propone una solución a estos dos escenarios por medio de una interfaz de usuario desde el entorno de Matlab y el apoyo de los programas Google Earth y Mission Planner. Palabras clave: Algoritmos, fotogrametría, MDT, UAV, ortomosaicos. (^1) Remotely Piloted Aircraft (^2) Modelo Digital de Terreno (^3) Centro interamericano de Fotointerpretacion (^4) Interfaz de Matlab (GUIDE- Graphical User Interface Development Enviroment )
6.2.7 DETERMINACIÓN DE LOS VALORES MÁXIMO Y MINIMO DE LA 6.2.8 DETERMINACIÓN DE LOS VALORES MÁXIMO Y MINIMO DE LA
La fotografía aérea está compuesta por una serie de factores que inciden en la calidad de los resultados, el correcto diseño de un vuelo fotogramétrico garantiza el éxito del proceso, puesto que es el paso más importante a la hora de realizar un trabajo de este tipo. Es clave también conocer detalladamente el objetivo de la toma de las fotografías, el uso que se le vaya a dar a estas determina muchos de los factores a la hora del diseño, es necesario estudiar todas las variables involucradas para reducir al mínimo los posibles errores. Los aspectos más relevantes a la hora de llevar a cabo el diseño de un vuelo fotogramétrico son: la escala del mapa que luego se va a restituir, la escala media de las fotografías, el traslapo necesario entre las fotografías, el tiempo de vuelo de la aeronave, los puntos de control necesarios para la corrección de las fotografías, el GSD o tamaño del pixel, las alturas mínimas y máximas del sol, el tiempo meteorológico en el momento de la toma de las fotografías Teniendo en cuenta estos aspectos el objetivo es lograr establecer unos parámetros que permitan la toma de unas fotografías correctas en función de la escala y el recubrimiento deseado. El tipo de terreno también juega un papel fundamental a la hora de realizar el diseño puesto que en terrenos planos los problemas a la hora de tomar las fotografías son mínimos, pero la cosa se complica cuando es necesario el diseño sobre un terreno montañoso, este presenta un constante cambio en las variables y dificulta la toma de unas buenas fotografías.
El problema que da origen al presente proyecto es la falta de una metodología que permita realizar un vuelo fotogramétrico, que cumpla con las especificaciones de escala y recubrimiento lateral deseado, esto con el fin de obtener unos productos fotogramétricos capaces de apoyar proyectos ingenieriles a un costo muy bajo y con precisiones muy altas. Por lo anterior el presente trabajo se enfoca en la solución al diseño de un vuelo fotogramétrico usando vehículos aéreos no tripulados, teniendo en cuenta el tipo de terreno sobre el cual se desea realizar el vuelo.
2. 2 PREGUNTA DE INVESTIGACIÓN. ¿Es posible crear un procedimiento para la elaboración de vuelos fotogramétricos que normalmente se realiza con aeronaves convencionales de gran envergadura, para poder realizarlo con aeronaves no tripuladas de una forma tal que sea una alternativa y metodología actual?
Crear una metodología para el diseño geométrico de un vuelo fotogramétrico usando uav´s. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
proyectos a realizar y de las distintas opciones de cámaras con las que cuenten los RPAS usados para ´poder llevar a cabo un proceso fotogramétrico. Las cámaras digitales actuales cuentan con múltiples componentes que permiten que la captura de la imagen sea de una forma eficiente, esto se logra transformando la luz en energía, los lentes de la cámara direccionan los haces de luz hacia sensores, que dependiendo de su tamaño determinaran la calidad de la imagen obtenida, los sensores son los receptores de la información espacial, capaces de clasificar las diferentes variaciones de luz y traducirlas en información binaria. Ilustración 1 distancia focal y sensor de una cámara-adaptación Para cámaras digitales no hay un formato de sensor estándar. El mercado se divide en cámaras de gran formato (como el Intergraph DMC), cámaras de formato medio y cámaras de pequeño formato. La mayoría de estas cámaras tienen un formato de imagen rectangular, donde la dimensión más grande está en la dirección transversal para minimizar el número de líneas de vuelo requeridas para los vuelos fotográficos. El tamaño del sensor se define en píxeles (por ejemplo, para el Intergraph DMC 13824 x 7680 píxeles). Hay una amplia gama de longitudes focales de alrededor de 62 mm hasta 120 mm. Debido al formato de sensor rectangular, el campo de visión es diferente en la dirección del vuelo y a través de la línea de vuelo. Para las cámaras digitales, el tamaño de píxel del CCD debe ser considerado. Dependiendo del fabricante del CCD, hay CCD con tamaño de píxel que varía de 7 micrones a 12 micrones. Para cada cámara digital, la combinación de longitud focal y tamaño de píxel determina su perfil de operación. Los parámetros de la misión para los vuelos fotográficos con cámaras digitales están determinados por la distancia de muestreo requerida (GSD^8 ). (Neumann, 2008) El calculo para del GSD en cámaras digitales es necesario utilizar las siguientes ecuaciones: (^8) GSD: ground sampling distance (distancia de muestreo de tierra)
La fotogrametría puede definirse como como una técnica de captura de información espacial a distancia, que permite cuantificar y obtener información muy relevante de la superficie terrestre y del medio ambiente con el fin de elaborar mapas de interés social, cultural y económico, esta intrínsecamente vinculada con la fotointerpretación puesto que se complementan entre si con el objeto de lograr una representación precisa del mundo real. Otras definiciones pueden ser la siguientes: “Técnica cuyo objeto 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” (Clavo, 1982) “Arte, ciencia y tecnología orientada a obtener información relevante de diversos objetos físicos de la corteza terrestre y de su medio ambiente, a través de procesos de medición e interpretación de imágenes fotográficas y de patrones de energía electromagnética radiante” (Herrera, 1987) La fotogrametría surge como ciencia en 1840, como resultado de una combinación de la óptica, la fotografía y las matemáticas. Se ocupa de obtener información métrica de objetos físicos y del medio ambiente a partir de la interpretación de imágenes fotográficas. El objetivo del método general de la Fotogrametría consiste en obtener una información tridimensional a partir de información bidimensional dada por las fotografías. (Pozo, 2002) Ilustración 3 ORTOMOSAICO Y CURVAS DE NIVEL- ELABORACION PROPIA La fotogrametría permite obtener una representación muy precisa de los objetos fotografiados, aparte de que es una técnica relativamente económica con respecto a otras, dada la cantidad de información que se puede capturar en una sola sesión
de vuelo. Sirve de insumo principal para la cartografía y la elaboración de mapas complejos, no es necesaria una intervención directa en la zona de trabajo así que no hay ninguna perturbación en el medio ambiente o la cotidianidad de las comunidades, es utilizada ampliamente en el campo de la ingeniería civil para la elaboración de proyectos en primera fase, puesto que proporciona información espacial de la capa vegetal y de la topografía de la zona donde se van a realizar lo proyectos. Hace aportes importantes en otras ciencias, como en la arquitectura donde la fotogrametría plana hace un aporte importante en la toma de medidas a partir de fotografías. En institutos geográficos a nivel mundial tienen como base la fotogrametría como insumo principal para la elaboración de cartografía. La condición fundamental de toda planificación de vuelo es la obtención de adecuada cobertura fotográfica con el mínimo de fotografías, tal que cada parte del terreno por pequeña que sea, debe ser cubierta estereoscópicamente, esto significa que toda la superficie debe aparecer en las zonas de superposición tanto de fotografías adyacentes de un recorrido como en las áreas superpuestas de recorridos vecinos. (Centro de fotogrametria, cartografia y catastro, 2005) La planificación de las líneas de vuelo sirve de apoyo para él quipo que va realizar e l trabajo fotogramétrico, puesto que demarcan las zonas de interés, la separación entre líneas de vuelo y el tiempo aproximado para realzar las tomas, esto con el fin de asegurar una máxima calidad y precisión para poder llevar a cabo una adecuada producción de material cartográfico. Es indispensable que toda el área que se desee ser cartografiada esté dentro de la cobertura estereoscópica del vuelo. Ilustración 4 recorrido del vuelo- elaboración propia
estudiantes y la información referente a como se puede aprender a usar Matlab es muy amplia y difundida en la red. En Matlab es posible crear programas y las funciones propias que sean necesarias para el desarrollo de los proyectos, cuenta con un creador de interfaces graficas que permiten a los usuarios hacer una interacción entre el programa y el sistema operativo en el cual se está ejecutando. Estas interfaces son cuentan con diferentes controladores de los objetos de programa las cuales permiten realizar acciones y alimentar de información necesaria el programa, algunos de estos controladores pueden ser botones, cuadros de texto, tablas, listas entre otros. Ilustración 6 GUIDE- MATLAB – Elaboración propia MATLAB ofrece un entorno interactivo sencillo mediante una ventana en la que podemos introducir ordenes en modo texto y en la que aparecen los resultados. Los gráficos se muestran en ventanas independientes. Cada ventana dispone de una barra de menús que controla su funcionalidad. Lo que distingue a MATLAB de otros sistemas de cálculo es su facilidad para trabajar con vectores y matrices. Las operaciones ordinarias, suma, producto, potencia, operan por defecto sobre matrices, sin más restricción que la compatibilidad de tamaños en cada caso. (Julio Benítez López, 2014) La programación se lleva a cabo mediante un lenguaje que es muy parecido a lenguajes de alto nivel como BASIC o C. Esto permite que el usuario pueda agrupar sentencias que utiliza frecuentemente dentro de un programa que puede ser
invocado posteriormente. De este modo se ahorra tiempo y esfuerzo en sucesivas sesiones pues no es necesario escribir todas las sentencias de nuevo. (MRA & JAAR, 2010) El objetivo de usar Matlab en el presente proyecto es poder lograr por medio de las GUIDE´S, un programa capaz de calcular de manera instantánea los parámetros de vuelo que cumplan con los requerimientos establecidos por el usuario. Dada la facilidad con la que se pueden relacionar los objetos entre si por medio de la programación, es posible crear una interfaz que se puede “moldear” a antojo con el objetivo de hacer más amigable la aplicación. De esta forma el trabajo plantea la implementación de tres GUIDE´S, las cuales ayudaran en la elaboración de planes de vuelo para la elaboración de cartografía en base a fotografías digitales obtenidas desde vehículos aéreos no tripulados. 5.3.1 PARTES DE UN GUIDE: Los GUIDE cuentan con múltiples controladores que permiten al usuario interactuar directamente con funciones creadas por el mismo, estos controladores hacen más fácil la relación usuaria máquina y proporciona un ambiente más amigable y sencillo. Los controladores del GUIDE son: PUSH BUTTON Crea un botón capaz de ejecutar funciones como borrar, calcular o la función que se necesite. RADIO BUTTON Crea un botón circular. EDIT TEXT Crea un cuadro de texto que puede ser editado. POP-UP MENU Crea un menú desplegable. TOGGLE BUTTON Similar al Push button excepto que puede usarse para uno ejecutar uno de dos estados o condiciones. AXES Es un espacio para crear graficas o BUTTON GROUP Agrupa varios Radio button SLIDER Es un botón de movimiento horizontal, puede servir para incremento de alguna variable. CHECK BOX Es una caja de chequeo que permite validad algún parámetro si este esta activado STATIC TEXT Cuadro de texto que no puede ser modificado, solo visualiza resultados de operaciones. LISTBOX Lista de menú navegable con una barra vertical.
recorrer más terreno y esto aumenta la cobertura a la hora de tomar fotos. Teniendo en cuenta estas diferencias se determina qué uso se le puede dar al gadget^9. Ilustración 8 Clasificación UAV - fuente: (A. Barrientos) En la actualidad la tecnología de drones está transformando muchos campos en los que la fotografía aérea es una alternativa para medición y procesamiento, en este caso mucho más económico en tiempo y costo para obtener información topográfica, mediante imágenes y aplicando técnicas fotogramétricas. Las técnicas fotogramétricas permiten alcanzar, con rapidez, amplitud, detalle y a un costo moderado la ubicación de cualquier variable impresa sobre una fotografía. La imagen fotográfica capta pormenorizadamente todos los elementos naturales y culturales del sector fotografiado. La producción, recolección, manejo y tratamiento de información en el caso ambiental y forestal se han convertido en un asunto de trascendencia vital para los países en desarrollo. La enorme cantidad de variables espaciales a manipular hace necesario que cualquier profesional usuario de fotografías aéreas conozca los principios básicos que rigen la formación de las fotografías aéreas verticales, así como también su interpretación (extracción de información temática), los distintos tipos de mediciones (alturas, pendientes, áreas, etc.) que pueden obtenerse de ellas y su empleo en la producción de mapas básicos y temáticos. (Carlos E. Pacheco, 2006) Midiendo puntos 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 (^9) Un gadget es un dispositivo que tiene un propósito y una función específica, generalmente de pequeñas proporciones, práctico y a la vez novedoso. Los gadgets suelen tener un diseño más ingenioso que el de la tecnología corriente.
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. En la actualidad existen con una gran variedad de formas, tamaños y características en función del uso al que estén destinados. (Ferreira, 2017) Los usos de estas herramientas pueden ser muy transversales, representan un gran apoyo en muchos procesos que se lleven a cabo para el desarrollo de las comunidades, la agricultura de precisión es una de estas, los drones han venido revolucionando el modo de cómo se extrae la información topográfica de los terrenos puesto que facilita la captura y procesamiento de esta, en el caso de la agricultura de precisión los drones garantizan una precisión espacial de la toma de los datos y brindan una disponibilidad de estos datos de una forma más eficiente. Los drones le dan al agricultor una perspectiva diferente de su proceso agrícola y le ayuda a detectar las incidencias que este pueda desarrollar con el tiempo, el agricultor también puede acceder a información en tiempo real de humedad, desarrollo vegetativo y conteo de plantas para inventarios. Esta información es clave para que el agricultor tome decisiones de una forma más rápida y pueda solucionar los posibles problemas de una forma más eficiente. Entre los beneficios más relevantes del uso de drones en la agricultura se resalta el manejo eficiente del agua por medio de sistemas de riego, aplicación oportuna de fertilizantes, generación de inventarios de los cultivos y detección temprana de enfermedades y plagas. Los datos capturados por todos estos sensores se almacenan digitalmente en forma de tablas y mapas, a partir de los cuales se genera la información que ayuda al agricultor en la toma de decisiones en el campo (fertiirrigación, podas o aclareos) (Aranda, 2015) El objetivo último de la agricultura de precisión es la obtención de mayores rendimientos económicos, medioambientales y sociales, aumentando la competitividad a través de una mayor eficacia en las prácticas agrícolas. (Aranda,
El uso de vehículos aéreos no tripulados para el apoyo de labores agrícolas en Colombia debería ser ampliamente difundido y aplicado, dado que Colombia cuenta con una gran variedad de climas y tipos de suelo. Esto aumentaría la productividad y mejoraría la calidad de vida de muchas personas en varias regiones del país, aparte de esto puede ser un apoyo en el proceso de cambio de cultivos ilícitos en regiones donde tradicionalmente se da esta práctica.
