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Usos y aplicaciones de los drones en la topografía

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Alain Tecsi Conza

on 11 June 2015

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Transcript of Usos y aplicaciones de los drones en la topografía

Usos y aplicaciones de los drones en la topografía
design by Dóri Sirály for Prezi
La evolución de los drones ha sido posible gracias a la expansión de estos en el área militar, es así que fueron creados con propósitos bélicos y de autodefensa no obstante tuvo un gran avance y trascendencia la Segunda Guerra Mundial, los drones tuvieron una una expansión tecnológica desde 1916
Introducción
Proceso de planificación de vuelo
Historia de los UAVs
Usos civiles
Fotografía aérea
Agricultura
Guardia costera
Conservación
Compañías de electricidad. En talas
Detección de incendios
Forestal
Monitoreo de ganado
Monitoreo de contaminación atmosférica
Servicios meteorológicos
Compañías petroleras
Monitoreo de tráfico vehicular
Búsqueda de personas perdidas
Monitoreo de tuberías

Aplicaciones de los drones
DJI S800 es un drone multirotor de seis hélices diseñado para uso civil Simplifica la manipulación a los usuarios y permite un desmontaje rápido. La estructura del brazo se integra con el motor. Con el sistema de piloto automático DJI, se puede conseguir flotar, navegar y otros elementos de vuelo. El S800 se puede utilizar para fotografía aérea y otras actividades aeromodelismo

Drone DJI s800 evo
En los últimos tiempos ha habido un gran interés en el estudio de los vehículos aéreos no tripulados en inglés UAVs (unmaned aerial vehicles) Ya que han demostrado ser una herramienta muy útil para diferentes aplicaciones, en cuanto a topografía esta nos ofrece una perspectiva distinta de los métodos conocidos, ofreciéndonos una fotogrametría accesible además de una gran variedad de programas especializados en fotogrametría
Fotogrametría
De igual forma que los drones evolucionaban tecnológicamente en el campo militar, la fotogrametría lo hizo por su lado llegando a un punto donde se comienza a digitalizar, donde se sustituye la imagen analógica por la imagen digital, del mismo modo que se empieza a utilizar programas informáticos.
Objetivos
El objetivo principal de este trabajo dar a conocer si el uso de drones es viable en la topografía
CRONOLOGíA DE LOS DRONES
Antes de la Segunda Guerra Mundial ( 1916 - 1939)
Durante la Segunda Guerra Mundial (1939 - 1945 )
Después de la Segunda Guerra Mundial (1945 - presente)
Objetivo principal
Objetivos secundarios
Identificar las etapas de vuelo del DRONE DJI s800 evo para aplicativos topograficos
Conocer las ventajas y desventajas de los drones en la topografía
CARACTERíSTICA DE LOS DRONES DE USO CIVIL
Expansión de envolvente de vuelo.
Ahorro de peso
Gran libertad de diseño
Adaptabilidad
EXPANSION DE ENVOLVENTE DE VUELO
Actualmente los aviones se diseñan para operar dentro de los límites de la fisiología humana. En el caso de los drones, es variada las formas en las que se puede realizar vuelos en las que destacan los drones de ala fija y los drones de ala rotatoria. Al prescindir de piloto se elimina también esa desventaja obteniendo aeronaves más capaces y seguras
AHORRO DE PESO
No es sólo el peso del piloto, sino de todos los sistemas asociados como displays, cabina, sistemas de hábitat y asientos eyectables.
Esto también es posible gracias al desarrollo de nuevas tecnologías y microprocesadores
GRAN LIBERTAD DE DISEÑO
Debido a la ausencia de piloto, los problemas asociados a la presencia del mismo desaparecen. Así es posible diseñar jugadas de cualquier tamaño desde tan grandes como el Global Hawk (Envergadura 35.41m ) hasta otros tan pequeños como los micro drones que son del tamaño de insectos
ADAPTABILIDAD
Los drones son capaces de realizar diferentes tipos de actividades que se aplican a diferentes rubros un ejemplo es el Uav AIBOT X6 diseñado para aeromodelismo o como el drone solar de google
CLASIFICACION DE LOS DRONES
UAV DESPEGUE VERTICAL
Autosustentados
UAV DE DESPEGUE NO VERTICAL
Ala fija
Ala rotativa
Drones Multirotor
Dentro de la clasificación de los drones de ala rotativa estos se pueden dividir por el número de rotores, los rotores brindan más estabilidad al drone estos pueden ser helicópteros cuadricópteros, hexacopteros y octocopteros
Usos militares
Protección de puertos
Desvió de misiles
Reconocimiento
Vigilancia de actividad enemiga
Localización y destrucción de minas terrestres
Monitoreo de contaminación química, biológica o nuclear
Eliminación de bombas sin explotar

Principio de operacion
COMPONENTES PRIMARIOS
Estructura central

Esta es la parte fundamental del dron en donde se encuentra el cerebro las conexiones del sistema, el GPS, giroscopio acelerómetro y la entrada para la batería

Brazo rotor
Son los componentes fundamentales de los drones en este caso el DJI S800 posee 6 brazos rotores los cuales tiene diferentes tipos de orientación, el giro de las hélices y cumplen diferentes funciones de estabilización pues deben estar a diferente tipo de velocidad de rotor y orientación
Brazo electronico
Es el encargado de llevar la cámara para lo cual está dotado de un giroscopio lo que le permite permanecer estático cuando el drone está en movimiento.

Bipode
Es el que tiene la misión de amortiguar el peso del dron al momento del aterrizaje lo cual es necesario si queremos evitar golpes en el equipo

Componentes secundarios
Controles
Bateria
Control del drone
Control de la camara
Pantalla
Cámara
Los proyectos fotogramétricos con UAVs están marcados por la autonomía de los mismos, con lo que a la hora de elegir la cámara se deberá tener en cuenta primeramente los parámetros que tengan una relación directa sobre la misma, estos son focal y peso.
Una focal superior implica una altura de vuelo superior, lo que conlleva una disminución en la autonomía de vuelo. No obstante, la calidad de las imágenes es muy superior en el caso de la Sony, al tratarse de una cámara con una resolución de 24.3 megapíxeles una resolución radiométrica muy superior.

Especificaciones técnicas del Drone DJI S800 EVO
Drones en la topografía
Los drones se encuentran en plena evolución y sus aplicativos en la topografía también pero con una visión a futuro podrían ser capaces de ser mejorados y especializados, así también su capacidad de tiempo de vuelo, sin embargo no hay que desmerecerlos pues son capaces de llegar a lugares donde los humanos no podrían además tienen una vista privilegiada en tiempo real y la generación del modelamiento digital de terreno.
Es por eso que en nuestra región los vuelos de drones están limitados a un rango de tiempo y a una limitada área de vuelo, pues debido a los factores ambientales en nuestra contra las baterías de estos tienen una duración de la mitad que en la costa.

¿Es practico usar los UAVs en la topografía?
La topografía de precisión ha sufrido y va a seguir sufriendo una transformación fruto del uso extensivo de UAVs (drones).
Los UAVs son mucho más baratos y flexibles a la hora de realizar vuelos fotogramétricos que sus hermanos mayores, aviones y helicópteros pilotados por un piloto a bordo.
La revolución continúa gracias también a la creciente potencia de proceso de ordenadores y servidores y al desarrollo de herramientas y algoritmos específicos para fotogrametría. Las suites de orto rectificación y generación de modelos digitales avanzan sin pausa y mejoran día a día las precisiones y volúmenes de datos que pueden procesar. Gracias a ellas ya no es imprescindible (ni necesario) tener unidades inerciales de precisión en las cámaras.
Por lo tanto estamos frente a un equipo que en nuestro país todavía no se expandido pero gracias sus ventajas, su flexibilidad y su costo puede ser un importante complemento a la topografía en general.
En nuestra región el ministerio de cultura está implementando este sistema para la toma de datos del patrimonio.
En conclusión los drones sirven para tipos de levantamientos específicos y para la obtención de modelos digitales de terreno.

Ventajas de los drones
No arriesga vidas humanas, principal ventaja para zonas de dificil acceso por la geografia del terreno, topografía, orden público, etc.
Puede operar en lugares altamente contaminados y peligrosos, tales como volcanes, incendios forestales, etc.
Fotografías de muy alta resolución desde 5cm, escalas 1:500, 1:1000 y 1 :2.000.
Disponibilidad inmediata para toma de fotos y tiempos cortos de adquisición, obtienen en forma muy rápida imágenes a la fecha, sin tiempos largos de programación de satélite o permisos para aviones tripulados.
A diferencia de los vuelos tripulados y las imágenes de satélite, no lo afectan las condiciones atmosféricas adversas como por ejemplo la nubosidad, dado que la altura de vuelo de los UAV es baja y puede volar por debajo de las nubes.
Bajo costo de adquisición de aerofotografias, mucho más barato que las aerofotografias adquiridas con vuelos tripulados.
Se obtiene un registro histórico y memoria gráfica de la situación o diagnóstico en una fecha de toma determinada, como aval a futuras reclamaciones, análisis, monitoreo, cambios, etc.
Generacion de modelados en 3d pues ahora existen sotwares que lo hacen posible con los requerimientos de las nuevas computadoras.
Desventajas de los drones
A pesar del elevado número de ventajas que presenta la utilización de sistemas UAVs tanto en el rango militar como en el civil, también se ha de mencionar sus principales limitantes, problemas y carencias que tienen hoy en día y que habrá que ir solucionando. Destacamos los siguientes:
Dependencia de las estaciones de Tierra (dependiendo de su grado de autonomía)
Vulnerabilidad y limitada capacidad de autodefensa
Limitaciones de peso y volumen de los equipos a bordo
Problema de interceptación de comunicaciones (solucionada mediante criptografia y cifrado de las comunicaciones)
Dificultad de integración en el espacio aéreo: Debe asegurarse la total conformidad con la normativa de la aviación civil a fin de posibilitar la participación flexible en el tráfico aéreo general.
En nuestra región el uso de la batería se reduce debido a la altitud y al esfuerzo que ejerce en los rotores.

Planificación de vuelo
Antes de realizar el vuelo se tiene que tener en consideración las siguientes recomendaciones en nuestra región:
Tipos de terreno demarcan tipos de vuelos
Finalidad de las tomas fotográficas
Zonas cercanas al mar, preferible volar de 6 a 10 am, zonas en nuestra región recomendable precisar un clima templado y con ausencia de vientos fuertes.
A mayor altitud mayor velocidad de vuelo.
A menor altitud menor velocidad de vuelo.
Importante entender que el traslape de fotos 60%
La duración de la batería se reduce a la mitad de tiempo en nuestra región, debido a una mayor fuerza ejercida por los rotores debido a la densidad del aire.

Apoyo topografico
Para que el vuelo sea directamente relacionable con el terreno, es decir, pueda ser georreferenciado, son precisos unos puntos de control cuya posición será conocida en sus tres posiciones X, Y, Z.
Es imprescindible elegir como puntos de referencia aquellos que sean claramente identificables en la fotografía, utilizando para ello cruces de caminos o lindes u otros elementos de clara identificación.
Previamente al vuelo situaremos unas dianas de un tamaño superior de forma que se puedan ver claramente en las fotografías.
Una vez situadas en el terreno, se debe dar posición absoluta a las mismas. Para ello se utilizará como método de medición el GPS diferencial, el cual nos proporciona una precisión en cuanto a la posición por debajo del centímetro.
Para documentar la posición de cada uno de los puntos de apoyo, en este caso se realizará un plano con cada uno de los puntos situados en el terreno, indicando sus coordenadas, para lo cual se tiene que realizar:
Georreferenciación en lugares visibles.

Toma fotografica
Para Orto fotografía: Posición vertical (ángulo 0)
Para modelamiento: Posición vertical (ángulo 0) y ángulo 45
Para modelamiento de muros: Posición horizontal (ángulo 90), ángulo 45 y posición vertical (ángulo 0)

Proceso de datos
Existen una gran cantidad de softwares para el proceso de datos partir de fotos estos son capaces de realizar modelamiento tridimensional a partir de fotos además que nos permite georreferenciar y exportar esos archivos a programas de ingeniería.
El AGISOFT es un programa capaz de procesar fotos en cuanto su uso tiene todas las características que se necesitan además es ligero pero potente.

Proceso de planificación de vuelo
Ya sea mediante fotogrametría clásica o mediante vuelos no tripulados, todo proyecto de levantamiento fotogramétrico se divide en las siguientes etapas:
Planificación de vuelo: en la que en función de la resolución que se quiera obtener, la ubicación de la extensión a representar y la orografía del terreno, se obtendrán las posiciones que la cámara ha de tener en cada toma, programando para ello todos los parámetros necesarios en cuanto a altura de vuelo, velocidad de ascenso y desplazamiento, inclinación de la cámara, número de fotos en cada punto, precisión del sistema de posicionamiento, etc.
Apoyo topográfico: la cual será útil para la correcta georreferenciación del producto final y que consiste a grandes rasgos, en situar puntos en el terreno con coordenadas conocidas y perfectamente reconocibles en las fotografías, a fin de poder resolver la orientación externa y georreferenciar nuestro trabajo.
Toma fotográfica: se suele realizar simultáneamente a la fase anterior Según el plan de vuelo obtenido en la fase de planificación, se ejecutará la ruta donde se realizará una fotografía en cada punto programado.
Procesado y cálculo: una vez tomadas las fotografías y obtenidas las coordenadas de los puntos de apoyo, se realiza el cálculo de los parámetros de orientación de cada una de las fotografías.  

Parámetros geométricos
Para realizar un vuelo fotogramétrico se debe tener en cuenta parámetros como los recubrimientos transversales y longitudinales además el GSD.
Los recubrimientos longitudinal y transversal son dos de los parámetros fundamentales del vuelo fotogramétrico. El objeto de los recubrimientos fotográficos es el de poder aplicar el principio de la visión estereoscópica a los fotogramas aéreos. La parte común entre dos fotografias consecutivas es el modelo estereoscópico, debiendo poder enlazarse estos modelos tanto longitudinal como transversal.

RECUBRIMIENTO TRANSVERSAL
Para cubrir un área en la que se necesitan dos o más líneas de vuelo, éstas deben cubrirse lateralmente en un 30%, permitiendo en algunos casos específicos un mayor traslape lateral, no pudiendo aceptar menos de un 10%.
El traslape lateral se determinará después de efectuar el control de la deriva, inclinación del avión, relieve y otros factores solicitados por el usuario.

RECUBRIMIENTO LONGITUDINAL
Todo vuelo Aero fotogramétrico para fines cartográficos no debe tener menos del 53% ni más de 65% de recubrimiento en el sentido longitudinal, manteniendo un promedio general de toda la línea de 56%. En áreas donde existen enormes variaciones de elevación de terreno, no debe haber un valor máximo para el traslape a lo largo del borde delantero

GSD

Del inglés Ground Sample Distance, o (distancia de muestreo en el terreno.) En una foto digital del terreno hecha desde el aire, se trata de la distancia medida entre centros de los píxeles en el terreno.
Dicho de otra forma, si se considera una imagen con un GSD de un metro, un píxel de la imagen se corresponde con una superficie de lm2 (1x1m) en el terreno.
En fotogrametría también se habla del GSD como el campo de vista instantáneo proyectado sobre el terreno).
Esta magnitud está directamente relacionada con la altura de vuelo y la focal de la cámara por medio de la expresión:


Criterios fotogrametricos
Escala de la fotografía
La escala de la fotografía se determina como una función representativa en la misma forma en que se designa la escala de un mapa. Sin embargo, la escala de la fotografía es sólo aproximada a causa de los tantos cambios, producto de las variaciones del terreno en función de la altura el vuelo.
Para determinar la escala de la fotografía aérea (vertical), se usa la altura de vuelo (H) y la distancia focal (f) de la cámara encargada de la fotografía.

Distancia en el terreno
Para determinar la distancia en el terreno, del lado de una fotografia
vertical, es necesario conocer la distancia focal de la cámara (f), las
dimensiones de la fotografia y la altura de vuelo (H).


MDT
Uno de los elementos básicos de cualquier representación digital de la superficie terrestre son los Modelos Digitales de Terreno (MDT). Constituyen la base para un gran número de aplicaciones en ciencias de la Tierra,ambientales e ingenierías de diverso tipo.
Se denomina MDT al conjunto de capas, que representan distintas características de la superficie terrestre derivadas de una capa de elevaciones a la que se denomina Modelo Digital de Elevaciones(MDE). Aunque algunas definiciones incluyen dentro de los MDT prácticamente cualquier variable cuantitativaregionalizada, aquí se prefiere limitar el MDT al conjunto de capas derivadas del MDE.
El programa Agisoft exporta los archivos en formato de programas de ingeneria.
AGISOFT
Processo de aliniacion de fotos
Proceso de georeferenciacion
CARACTERISTICAS
 Resolución: 6000 x 3376 Pixel.
 Tamaño del sensor: 23.5 x 15.6 mm2.
 Distancia focal: 16mm
 Tamaño de pixel o resolución geométrica: 0.0039mm 0 3.9pm.
 Resolución radiométrica: tres bandas (RGB) con resolución de 24bit
 Peso del conjunto: 291 g (cuerpo baterías y tarjeta de memoria) 69g— 360g.

Generacion de MDT
Conclusion
Como se ha podido ver en el desarrollo del presente trabajo, los proyectos fotogramétricos llevados a cabo con UAVs no difieren en lo esencial de los proyectos realizados con vuelos tripulados convencionales.
Sin embargo, existen diferencias que implican tanto ventajas como inconvenientes.
La diferencia inmediata con los vuelos convencionales es la DISPONIBILIDAD, no sólo en cuanto a precio sino también en cuanto a la posibilidad de realizar el trabajo en el mismo momento en el que se plantea, reduciéndose los plazos de ejecución de vuelos.
También se encuentran diferencias en cuanto a la RESOLUCIÓN de los productos que se generan, debido al hecho de que el vuelo con UAVs se realiza a altitudes muy inferiores a los vuelos fotogramétricos convencionales, obteniéndose imágenes con una resolución mucho mayor.
Lluvia de puntos
Modelado
Suaizado
Ala flexible
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