Lukas Fraser, director del programa de sistemas no tripulados de NV5, habla del auge del LiDAR basado en drones. Explica los mejores casos de uso, cómo se garantiza la precisión de los datos al capturar LiDAR desde drones, por qué el LiDAR y las imágenes de alta resolución son tecnologías complementarias y las nuevas oportunidades de mercado para el LiDAR topográfico.
Tecnología LiDAR y LiDAR basado en cartografía topográfica
LiDAR significa light detection and ranging y es un método de teledetección que se utiliza cada vez más en combinación con drones. El LiDAR desde drones utiliza escáneres mientras vuela, disparando pulsos de luz, viajando hasta el suelo, penetrando a través de la vegetación, bajando al suelo y volviendo al escáner.
Utilizando la velocidad de la luz, midiendo el tiempo de viaje en ambos sentidos del haz de luz del escáner, se puede medir la distancia a la superficie de la tierra y construir una nube de puntos en 3D. En función de la intensidad de la señal de retorno, se puede saber de qué tipo de superficie procede el retorno: esto se corresponde aproximadamente con lo que se vería en una fotografía, de modo que es posible distinguir objetos reales en los datos LiDAR.
La recogida de datos LiDAR de una zona para la elaboración de mapas topográficos da como resultado 200-300 puntos por metro cuadrado. Pero como muchos programas informáticos geoespaciales no son capaces de gestionar tantos puntos, existen procesos para reducir esos datos de forma que los clientes puedan interactuar con ellos, explica Fraser: «Primero se clasifica todo el conjunto de datos de forma automatizada, tras lo cual se pueden aplicar diferentes algoritmos para aislar un punto cada metro cuadrado y reducir la cantidad de datos, por ejemplo, suavizando los datos en función de las diferencias de elevación».
Garantizar la exactitud de los datos
La precisión de los datos puede desglosarse en precisión absoluta, precisión relativa y densidad, dice Fraser.
Precisión absoluta
El LiDAR utiliza la georreferenciación directa mediante un GNSS y una unidad de medición inercial (IMU), a diferencia de la fotogrametría, en la que se utilizan múltiples puntos de control para garantizar la precisión de los datos. El GNSS se utiliza para calcular los tres grados de libertad, y junto con la longitud, latitud y altitud, una IMU (unidad de medición inercial) calcula el papel, el cabeceo y la guiñada del sensor.
Aunque el LiDAR basado en drones teóricamente sólo necesita un único punto de control en tierra, ya que todos los puntos se posicionan a partir de las coordenadas de la estación base, esto no garantiza una precisión absoluta. Para resolver este problema, los topógrafos utilizan disparos de verificación en superficies duras y sin vegetación que son independientes de los puntos de control. Por lo general, se toma el desfase de todos los tiros de comprobación con respecto a la elevación de los datos y se utiliza para calcular la precisión.
Precisión relativa
Este término se refiere a los sistemas de vehículos aéreos no tripulados con una IMU de grado inferior, en los que puede ser difícil relacionar los datos si no están calibrados correctamente y experimentan una deriva de la IMU. «Tomamos cada línea de vuelo y la comparamos con las líneas de vuelo que están justo al lado, de modo que tenemos una diferencia entre cada línea de vuelo lidar, y luego generamos una trama con todas esas diferencias para poder verlas y luego construir algunas estadísticas a partir de eso», explica Fraser.
Densidad
La densidad de puntos se refiere a las mediciones por área en la que se muestrea la superficie de la tierra.
¿Por qué recoger datos LiDAR con drones?
Según Fraser, las principales razones para recoger datos lidar desde drones son el tiempo, el dinero, la seguridad y el nivel de detalle que se requiere. En muchas situaciones, la recogida de LiDAR desde drones es más barata que movilizar un avión o un helicóptero y llevarlos al lugar para recoger los datos.
«Un dron puede ser conducido en coche hasta el lugar, lo que es más eficiente que utilizar un avión o un helicóptero. En cuanto al nivel de detalle, los drones permiten captar características que no se pueden ver porque los aviones y helicópteros vuelan demasiado alto. Además, los drones son mucho más seguros que tener a alguien en tierra recogiendo datos en una calle muy transitada en medio de la carretera. Al fin y al cabo, los métodos tradicionales de recogida de datos sobre el terreno son más lentos que el uso de drones si se trata de cubrir una zona extensa», afirma Fraser.
La tecnología lidar de los drones existe desde hace diez años y se ha disparado en los últimos cinco o seis». En cuanto al precio, Fraser observa una gran variedad en el mercado actual. «A partir de 20.000 y 30.000 dólares, se obtiene un escáner láser, una IMU, un sistema GNSS y el propio dron. Los sistemas de gama alta llegan hasta un par de cientos de miles de dólares. Para poder hacer LiDAR desde los drones, se necesita un sistema modular con diferentes componentes, aunque vienen con sus propios componentes», dice Fraser.
«Aunque la mayoría de los drones tienen sistemas GNSS e IMU para su navegación interna, éstos no son lo suficientemente buenos para georreferenciar nuestro lidar. NV5 tiene un escáner Riegl que se utiliza con una IMU de Applanix. Trabajan juntos y tienen una integración realmente buena, pero es una IMU de alta calidad que obtiene 200 mediciones por segundo para poder captar los movimientos finos del escáner lidar».
Al hablar de los casos de uso del lidar basado en drones, Fraser distingue dos mercados principales: el de los servicios públicos y el de la ingeniería. «Las empresas de servicios públicos siempre están sustituyendo postes, construyendo otros nuevos y examinando su infraestructura existente. Utilizamos el LiDAR basado en drones y los datos meteorológicos para calcular cómo van a reaccionar las distintas líneas eléctricas y los postes en distintas condiciones meteorológicas y cuando se añade un nuevo poste a la línea.» Otro caso de uso es la prevención de incendios, donde los datos LiDAR se analizan para determinar qué árboles corren el riesgo de caer sobre las líneas eléctricas y dónde hay que eliminar la vegetación.
En el ámbito de la ingeniería, el principal caso de uso es la cartografía topográfica. «Con los drones, somos capaces de obtener un nivel de detalle muy alto. En cuanto a los datos LiDAR, nos acercamos a lo que tradicionalmente se recogería con LiDAR móvil desde un vehículo. Utilizamos esos datos para obtener líneas de frenado en 3D en bordillos, muros de contención y en el interior de los patios de la gente, lo que no es posible con la recogida de LiDAR en el suelo». Los drones permiten capturar grandes franjas, lo que se utiliza para hacer una cartografía detallada para mejorar las carreteras, otro caso de uso de NV5.
Fraser considera que las tecnologías LiDAR y de imágenes aéreas son complementarias en lugar de competitivas. «Creo que es una buena combinación poder hacer ambas cosas de forma independiente y compararlas para asegurarnos de que no tenemos ningún problema. Nuestras imágenes se utilizan para todas las partes 2D de nuestros dibujos de ingeniería, el lidar para el modelo de superficie, y luego los unimos al final.» Aunque admite que el LiDAR es competitivo con la estereofotogrametría tradicional, ya que se utilizaba para la generación de líneas de rotura (crear polilíneas 3D para representar características como bordillos, muros de contención y puentes), NV5 acaba de pasar a hacer todo lo relacionado con el 3D con el LiDAR porque poder ver bajo la vegetación y generar tantos puntos sobre el terreno ha sido una gran ventaja para la empresa, dice Fraser.
La democratización del LiDAR
Aunque el LiDAR está siendo democratizado por Apple y permite a cualquier persona con un iPhone hacer un escaneo rápido, eso no significa que cualquiera pueda producir un producto de calidad topográfica, dice Fraser: «Especialmente cuando trabajas para empresas de servicios públicos, donde tratas con líneas eléctricas y gestión de incendios forestales, es mejor que sepas lo que estás haciendo porque podría haber consecuencias en el mundo real en caso de que cometas errores o te pases de la raya».
Otro aspecto de la democratización del lidar es la producción de conjuntos de datos lidar públicos. Un ejemplo es el programa nacional de elevación en 3D de Estados Unidos, cuyo objetivo es recoger datos LiDAR de todo el país y recolectarlos en un intervalo. Con más de 600 casos de negocio, está claro que hay mucho valor en un conjunto de datos de este tipo. También hace que la gente sea más cuidadosa con lo que pone en el mundo en cuanto a los metadatos de precisión, que indican cuándo se recogieron, se publicaron, su precisión y el número de puntos de control utilizados, añade Fraser.
El futuro del LiDAR topográfico
En los próximos cinco a diez años, Fraser espera que los sistemas LiDAR basados en drones sean más pequeños, ligeros y baratos. Señala el lidar batimétrico como un área que impulsará la innovación conjunta. «Aunque hay un par de empresas que han fabricado estos sensores, no estamos viendo un uso generalizado de ellos. En los próximos cinco o diez años, obtendremos algunos sistemas que funcionarán bien en los vehículos aéreos no tripulados y que podrán obtener datos tanto topográficos como de la superficie subacuática».
La aplicación del lidar batimétrico es la zona costera, que llenará el vacío entre los datos topográficos y el sonar de los barcos: Ahora mismo, los gobiernos son los principales compradores de información sobre la costa, pero Fraser ve potencial para otras aplicaciones, como la cartografía de inundaciones.
«Como a los buques de sonar les resulta muy difícil y les lleva mucho tiempo recoger datos muy cerca de la costa, es más eficaz utilizar el LiDAR por su gran alcance. Dependiendo de la claridad del agua, se pueden conseguir desde 10 cm hasta 30-40 m. La diferencia entre los datos topográficos del lidar y los batimétricos es que, en el caso del lidar topográfico, sólo hay que vigilar la cobertura de nubes, mientras que en el lidar batimétrico, la turbidez del agua es un factor importante que hay que tener en cuenta, por ejemplo, bajando un disco circular al agua y viendo hasta dónde llega, o utilizando una boya de control de la turbidez en vivo que escupe las mediciones en tiempo real a tu teléfono móvil».
Traducido desde: gislounge
