LEVANTAMIENTOS TOPOGRÁFICOS CON V.A.N.T

• Tras un período de un par de años efectuando mediciones topográficas y levantamientos con un dron profesional en esta entrada voy a intentar dar una evaluación cuantitativa y cualitativa de lo que realmente podemos obtener con esta metodología. Hablaremos de las procesos empleados, software de campo (control del UAV) y gabinete (PC), precisiones obtenidas, errores cometidos y consejos valiosos a tener en cuenta a la hora de trabajar para obtener los mejores resultados. Como siempre lo que se escribe en este blog es pura realidad y experimentación; doy fé de ello .

DALL-E (IA): Genera una imagen de un dron Dji mavic Pro sobrevolando un bosque y un rio.

• Está claro que la persona/empresa que necesite rendimiento y eficacia en los trabajos de levantamientos con drones sea vía fotogrametría, lidar o espectral necesita realizar una inversión considerable (por volumen de trabajo o envergadura de los mismos); no menos de 4.500-5.000 euros (dron profesional con modulo RTK + software planificación/vuelo).
• Tambien el tipo de trabajo a realizar decidirá si es mas rentable utilizar un dron de ala fija o un cuatricoptero. El tamaño de los sensores fotográficos y la especificación de los opturadores (mitigar rolling shutter) son características muy importantes a considerar (20mp + mecánico). Sin embargo hay otras alternativas mas mundanas para los que realizamos trabajos esporádicos o simplemente nos gusta el mundo de los VANT/ geomática y queremos experimentar (hay veces que con ingenio se consigue mucho y en el mercado de segunda mano tambien --> pero sin alucinar; recomendaciones/conclusiones al final de la entrada).
• Lo principal y normativo: Ser piloto acreditado por AESA ya sea en categoría ABIERTA o ESPECÍFICA (dependiendo del escenario/peculiaridades del trabajo). Estar registrado como tal; nosotros y nuestros aparatos. Seguro de responsabilidad civil acorde a nuestra ocupación. Cumplir las reglas y preceptos de cuando/donde se puede o no volar nuestro dron (ENAIRE) gestionando los permisos oportunos si fuera necesario (incluso hay empresas que realizan este tipo de gestiones/informes con los organismos implicados). Estar atentos a los cambios de la normativa  (son constantes) --> para mas info al respecto: DRON GURÚ y web AESA.
• El ejemplo mas habitual  es el levantamiento fotogramétrico de un terreno ya sea para mediciones solo planimétricas (superficie -> catastro/registro) o también altimétricas 3D (cálculos volumétricos de todo tipo u obtención de "gemelos digitales"). Si el trabajo va a ser meramente experimental, cualitativo o no es necesario un posicionamiento absoluto preciso (error aprox xyz +-2.5 m gps en modo navegación) no será necesario disponer de puntos de apoyo en el terreno (o como se les denomina ahora GCP´s o Ground Control Points).
  

• Hace años las coordenadas de los puntos de vista de los dispositivos de captura no eran precisas o no existían. Hoy día la existencia de los módulos GPS RTK en las propias aeronaves han cambiado el panorama de este tipo de trabajos (obtenemos orientación relativa y absoluta con gran facilidad). 
• En este caso particular apoyaremos el levantamiento realizado con el dron por medio de puntos sobre el terreno dotados de coordenadas precisas con GPS en tiempo real (+-2cm - protocolo NTRIP). Así podremos georreferenciar de forma precisa el modelo y constreñirlo a unas dimensiones en xyz.
• Abajo una captura de la predisposición de los puntos de apoyo previa (aunque luego en campo la cosa cambia). A parte de estos registros suelo disponer 4-5 puntos mas para medir la bondad/calidad del levantamiento tras todo el proceso/fuera del ajuste (sobre todo evaluar cotas absolutas). Son señales realizadas con placas de policarbonato y pintura (blanca/negra) de 50 cm x 50 cm x 16 mm (tamaño suficiente para tener estabilidad en el suelo y ser distinguidas claramente en las capturas a  80-100 metros altura con un sensor de 12MP como el de mi equipo).

• Tenemos otros pasos previos que verificar antes de realizar el trabajo:

1. Zona de vuelo o Levantamiento: Verificar si está permitido el vuelo con VANT o existen zonas de exclusión aérea (CTR, aeródromos, zonas protegidas etc). Consulta de las células catastrales/límites de las fincas a medir, accidentalidad del terreno,  ubicación/accesos a base de operaciones y disposición a priori en gabinete (descrito anteriormente y a grosso modo en zonas despejadas) de puntos de apoyo.
   
2. Cobertura datos móviles: Para conexión GPS móvil (GPRS, 3G o 4G) con estaciones de referencia zonal (IGN o CCAA). De lo contrario sería necesario efectuar otra metodología o cálculos en postproceso de los posicionamientos. Link aquí.
3. Condiciones meteorológicas: Sean apropiadas para realizar las operaciones. Con temperaturas extremas (frio/calor) el rendimiento de los equipos puede verse afectado hasta en un 20% (duración de baterias). La velocidad del viento debe ser moderada  para ejecutar vuelos seguros, eficientes y de calidad en la ejecución de los trabajos (intentar siempre inferior a 25-30 km/h).

• En una anterior entrada del blog se enumeran las app´s que utilizo para solventar los anteriores puntos e incluso algunas de planificación del levantamiento/vuelo (android) según el producto que se quiera obtener. No he encontrado ningun software gratuito () que considere la altura del terreno para planificar el vuelo del levantamiento (es lo que hay). 
• Para las planificaciones de vuelo me he manejado con el software para android PIX4D Capture y 3DSurvey Pilot (sobre todo el segundo que te indica mas datos sobre la operación que el primero). Ofrecen la mayoria de posibilidades (métodos de vuelo) para efectuar nuestras pesquisas (Grid2D,3D, Circle/Orbita, Polygon e incluso importación de Kml´s de la zona a levantar). La resolución del pixel; por tanto la altura de vuelo, y el número de capturas del trabajo correspondientes a parte de los recubrimientos entre pasadas será lo que marcará la duración y longitud de la operación (dimensionar baterias). En este caso elegimos un Grid 3d con el resto de parámetros del anigif inferior y que está estrechamente relacionado con el tipo de producto final que queremos obtener.

• Todos los pasos anteriormente descritos podemos realizarlos en casa/gabinete. De este modo ya estaríamos preparados para marchar al campo y ejecutar los trabajos.
• Comentar que por comodidad yo suelo utilizar un movil esprofeso sin tarjeta SIM (antiguo) para conectar con mando y dron (enlazado mediante bluetooh a datos de mi movíl personal) así evito llamadas inesperadas, notificaciones e interrupciones con el software del mapeo/dron que pueden colgar las aplicaciones (me ha pasado un par de veces --> menudos sudores). Imaginar la situación es: el dron volando y tu acojonado porque no lo controlas estando en vuelo programado, igual tienes que reiniciar el teléfono; en fin "un cristo".
  
• El paso previo siempre es verificar las lindes de la finca con el propietario (en este caso estaba  todo vallado), seguidamente efectuar el levantamiento de los limites de la finca con GPS y tambien dotar de coordenadas a los puntos de apoyo (una vez va allí no los puedes poner donde quieres normalmente; hay que intentar distribuirlos lo mejor posible y en zonas estables/donde no se puedan mover --> recomendable fijarlos con piquetas o lastrarlos). 
• Despues de ejecutar el vuelo con altura constante sobre el terreno (que no era muy accidentado) de 80 m (doble grid en este caso) obtuvimos 119 capturas para reconstruir ortofotos con un tamaño máximo del pixel de 2.52 cm.
• El software de escritorio utilizado para realizar los calculos fotogramétricos es Agisoft Metashape. Para mi es mas configurable que PIX4D (muy llave en mano), lo llevo utilizando desde hace años y puede conseguirse "free" fácilmente.

• En este caso en el gif superior podeis ver como se incluyó en el ajuste del modelo 5 puntos de apoyo (circulos rojos) y 2 de control (checks). Todos tienen coordenadas GPS RTK y podemos ver que las precisiones obtenidas (ojo es en 3D-xyz) son del rango de 7-9 cm que no está nada mal para el tipo de dron utilizado (DJI Mavic Pro -cámara de 12 MP- sin obturador mecánico).
• Como prueba se ha realizado un procesado de los modelos con y sin puntos de control/GPS para ver que diferencias cuantitativas se pueden evaluar si efectuamos un levantamiento de un terreno/finca solo con el dron (sin un georreferenciado preciso). 
• Tambien realizamos la experiencia de medir la finca u obtener/trazar el contorno comparando catastro (rojo discontinuo), medición topográfica (verde con halo rojo), ortofoto ajustada RTK (naranja) y ortofoto solo dron sin apoyar (azul). Hemos cuantificado las magnitudes/discrepancias en coordenadas, perímétros y áreas llegando a conclusiones interesantes:

1. Los desplazamientos absolutos de los puntos RTK con respecto a los obtenidos en la orto sin apoyar (solo  dron)  suelen rondar los 2.60 m en xy- compatible con los obtenido con un equipo GPS en modo navegación (sin correcciones diferenciales).
2. Las mediciones relativas/distancias entre puntos con correcciones RTK y sin ellas son bastante parecidas y fluctuan entre 3 y 11 cm (lo cual es sorprendente).
3. Los perímetros y areas de lo medido a pie de GPS (punto a punto convencional de linde) y con ambas ortos son muy parecidos. Se aprecia que las diferencias radican  sobre todo en la pérdida de visión en el trazado del contorno a partir de fotos aéreas donde a veces no visualizamos las lindes con exactitud (tapadas por arbolado o matorral).
4. Las alturas ortométricas no son del todo evaluables mediante estas "pruebas" ya que intervienen modelos geoidales distintos en su cálculo (a nivel de GPS dron sobre todo). Para ello intentaremos medir el movimiento de tierras de una gravera (2 tomas separadas en el tiempo) con una metodologia similar (en un futuro cercano).

• Observar cuadro inferior de magnitudes a los que se refiere los conclusiones anteriores:

• La principal conclusión de estas operaciones es que incluso se pueden levantar zonas extensas de terreno unicamente con el dron y algunos puntos de apoyos distribuidos uniformemente. Si las lindes están suficientemente claras no sería necesario recorrer los límites a pie. Disponiendo puntos de control suficientes y otros de calidad "por si acaso" entiendo que no sería nada descabellado lo que se obtenga por esta metodología -> aunque todo el mundo prefiera "certificar su trabajo a pie" (es entendible por lo anteriormente expuesto.- punto 3).

• En cuanto a los levantamientos de detalle de elementos arquitectónicos tambien hemos efectuado algunas experiencias curiosas. Como por ejemplo modelar unos depósitos de agua potable del ayuntamiento de Velada (Toledo). La idea era realizar un levantamiento fotogramétrico del entorno para despues y tomando medidas interiores claves de soleras, arquetas, espesores de muro etc realizar "un gemelo digital" en Rhinoceros. El problema es que no conseguí que fuera métrico (no pude georreferenciarlo de forma precisa) -> de todos modos podemos ver lo que obtube con 10 min de trabajo en campo y 4 horas de gabinete (tiempo de proceso).

• En primer lugar comentar que lo ideal para obtener los mejores resultados en estos casos particulares es combinar un Grid3d con un Vuelo Orbital (a misma altura sobre terreno si es posible). Aunque los planes de solo orbita suelen funcionar bien (ver anigif superior) dejan en ocasiones puntos ciegos, distorsiones o deformaciones en el entorno del elemento que se quiere levantar. De este modo tambien podremos obtener los otros productos/mas abundancia de datos que nos ofrece el proceso completo/combinado a parte de solo la representación del sólido en cuestión.
• La amplitud o angulo por toma no debe ser superior a 5º-6º de arco (entre 60-80 tomas), la inclinación del cardán 45º y la altura de vuelo la ajustada a la visión de todo el elemento del trabajo. Si se trata de una torre de telefonía o similar se recomienda utilizar planes de vuelo helicoidales porque si no el enfoque solo al centro de masas del edifcio producirá desenfoques y malos resultados. Los dias nublados o las horas donde no se proyecte sol/sombras son los momentos ideales para estos trabajos.
• Todos estos tics se pusieron en practica en el levantamiento del entorno de una finca labriega y el modelo obtenido fué muy exacto. Cierto es que el número de capturas fué aproximadamente de unas 250 tomas y el tiempo de procesado se acrecenta considerablemente. El nivel de detalle es brutal con tamaño máximo del pixel de poco mas de 1 cm (fijaos en el detalle de las piedras sobre el cerramiento perimetral- gif inferior).

• Otro trabajo interesante que realicé fué el levantamiento de la villa romana del Saucedo datada  primera fase en el siglo I-II despues de Cristo (aprox 2000 años de antiguedad). Con fines arqueológicos para levantar un plano de planta general del emplazamiento. Fué uno de los primeros trabajos que realicé y no estoy muy contento con los resultados pero la práctica hace la perfección .

• Otra práctica fué un levantamiento 3D de la Atalaya de Segurilla muy cerquita de mi ciudad Talavera de la Reina que data del siglo X (captura abajo) .Realizado con un vuelo mixto (grid + orbita) y que pronto realizaré mediante vuelo helicoidal porque el producto final no salió  lo fino que a mí me gustaría; principalmente porque no calculé bien la altura del vuelo orbital (un poco bajo). En uno de estos experimentos me cepillo el dron (es de segunda mano; así que malo será).

• Una cosa de la que no hemos hablado: es importantísimo disponer de un equipo informatico (sobremesa decente; los portátiles sufren con estas tareas) de una buena gráfica y cantidad de RAM --> para equipos actuales (JULIO 2024) se puede aconsejar/lo deseable: una NVIDIA RTX 4060 para arriba (o similar. aunque yo tengo una GTX 760 de 2Gb y hacemos lo que podemos),  al menos 32 gigas de RAM (doble canal de proceso) y un microprocesador acorde a toda esta potencia de proceso (Ryzen 7 5800x) evitando posibles cuellos de botella (y todo esto no es nada del otro mundo).
• En fin no dejan de ser trabajos de práctica los aquí expuestos. Que duda cabe de que con equipos punteros/lo último se pueden hacer grandes cosas pero de alguna manera hay que empezar a enredar; por ese pequeño impedimento no vamos a cejar en nuestro empeño/afición, recordemos que este es el Blog del Autodidacta en Geomática --> aquí le damos a la cultura del esfuerzo.
• Eso es todo por esta entrada. Seguimos por aquí; cada vez quedamos menos, será por la IA -- jaja --> By Rah.

APP´S GRATUITAS PARA FOTOGRAMETRIA CON DRONES

• En los últimos años se ha generalizado el uso de drones profesionales para efectuar  levantamientos aéreos de terrenos y construcciones de todo tipo. El avance de los sistemas lidar y scanner aerotransportados también ha supuesto un espaldarazo en el mundo de la topografía. Como enamorado de nuestra profesión no he podido resistirme y me he formado como piloto acreditado por AESA adquiriendo las licencias/permisos oportunos (A1/A3 y A2 veremos si en un futuro acredito STS) junto con un dron profesional de segunda mano (Dji Mavic Pro) acompañado de su correspondiente seguro de responsabilidad civil (Coverdrone).

• Hasta ahí todo fenómeno; en cuanto a conocimiento de normativas, prohibiciones y otros requisitos que tenemos asimilados y siempre vamos a respetar (vaya esto por delante). Aparte pues del funcionamiento rutinario del dron, el siguiente punto es saber que aplicaciones pueden ser utilizadas para efectuar la programación de nuestros vuelos/levantamientos topográficos u otros trabajos relacionados con nuestra especialidad. La mayoría de este tipo de software (no hay demasiado) desgraciadamente suele ser de pago/por suscripción (en lo referente a planes de vuelo/mapeos) y por este motivo plantearemos algunos aplicativos gratuitos/contrastados que podremos emplear. 
• Lo primero antes de nada es saber si el día elegido podré volar en la zona de que se trate --> por tanto debemos determinar/conocer restricciones aéreas y meteorología de la localización/zona del vuelo. Casi todo el mundo utiliza las siguientes dos aplicaciones (es recomendable instalarlas en nuestro dispositivo móvil o consultarlas antes de planificar la misión):
• 1.-Enaire Drones: Nos informará de las restricciones de vuelo con Drones en la ubicación que nos interese dependiendo del tipo de trabajo que vayamos a realizar (recreativo/profesional, fotográfico si/no..).Puede ser por existencia de zonas de Espacios Aéreos Controlados/Zonas de Seguridad Aeroportuarias ( o CTR ; Aeropuertos, Aeródromos y pistas de aterrizaje - ver imagen inferior Helipuerto - zona Talavera de la Reina) o bien por Parques Nacionales, zonas de conservación de fauna, Reservas de la Biosfera y demás espacios naturales protegidos (LER).

• La existencia de estos espacios donde a priori no se permite el vuelo con Drones no significa que sea imposible aunque habría que realizar una serie de procesos/solicitud de permisos/entrega de documentación  y coordinación con los organismos implicados.
• 2. UAV Forecast:  Aplicación que aglutina información de las condiciones meteorológicas clave/que afectan a los vuelos con V.A.N.T. en una zona determinada. Dependiendo de las características de nuestro dispositivo de vuelo podremos establecer "unos márgenes de operación segura" en lo que respecta a temperatura, precipitaciones, velocidad del viento y otros.

• Una vez citadas las dos utilidades anteriores pegamos un vistazo a otras 3  app´s de planificación de vuelos fotogramétricos/levantamientos puras; únicamente la primera aplicación y mas utilizada tiene todas las opciones existentes en abierto la otras tienen ciertos procesos de vuelo gratuitos y otros por desgracia son de pago:
• 3. PIX4D Capture: Junto a su utilidad DJI + Control (ojo) de conexión previa con el dron (una no puede funcionar sin la otra) son sin duda la mejor alternativa (doy fe- B.B.B.) para planificar nuestras misiones de vuelo. Compatibilidad con la mayoría de drones DJI ("minis"; no por ahora), PARROT y YUNEEC. Podremos usar las alternativas de la imagen inferior, para crear Mapas/Modelos 2d, 3d  (En Settings> configuraremos otras opciones como tipo dron, unidades, mapa base, salvar capturas etc).

• Abajo dejo la última planificación realizada para medir una finca de aproximadamente 2 has y realizar pruebas con mi Mavic Pro. Altura de vuelo 75 m, GSD 2.46 cm x pixel, 119 capturas, 5 min 30 seg de vuelo con recubrimientos entre capturas del 70 % long/transv. Esta tarea se puede hacer en gabinete/casa y llevarla preparada a campo.

• Antes de comenzar el vuelo debe arrancarse la aplicación CTRL + DJI (Android - no tengo dispositivos Apple) en este caso para poner en contacto a priori la tripleta dron + mando + dispositivo móvil. Cuando todos los indicadores del software están en verde podemos arrancar la aplicación de mapeo y comenzar la misión. Os aseguro que es super fácil. Os comparto un video de YouTube con todo el proceso/operativa desde 0 para que os sirva de guía.

• 4. 3DSURVEY PILOT: Es una verdadera sorpresa en cuanto a versatilidad. No necesita de ningún programa controlador para conectarse con el dron (ultima versión). Posee varios métodos de planificación gratuitos (los mas utilizados comúnmente para levantamientos de terrenos y trabajos topográficos) y algunos en los que es necesario subscripción.

• Una vez efectuada la programación del vuelo (se recomienda que esté el dron conectado para detectar la cámara/modelo asociado) la aplicación realizará un autocheck de varios parámetros antes de realizar el despegue. Si todos los indicativos están en verde podrá iniciarse la misión (al parecer es compatible con todos los drones DJI excepto los mini´s).

• A parte de las opciones de vuelo comunes con PIX4D Capture tenemos la posibilidad de importar un eje de una obra lineal/camino (con formato KML) y realizar un vuelo a lo largo de esa directriz bien por motivos cualitativos (progreso de la obra por meses por ejemplo) e incluso cuantitativos calculando del levantamiento de ese corredor (lo cual es muy interesante). En la captura inferior podéis apreciar las capturas de prueba efectuadas en una "mini traza":

• 5. DRONE HARMONY:  Otra aplicación similar a las anteriores que conecta directamente con el dron. En el catálogo de planes de vuelo presenta dos tipos: uno Mapping & Inspection (varios utilidades en abierto -> MAP 2D,3D, Orbit, Hélice y Manual/waypoints ) y otro TERRAIN (considera la topografía del terreno - todo con licencia requerida). Permite conexiones con todos los drones DJI incluido los Mini (mod 1, 2 y Se por ahora). 

• El interface de la app es peculiar porque presenta vistas de los trabajos programados en 2d y 3d para tener un mayor control sobre la planificación a ejecutar (primero se define el area de muestreo y después el grid  de vuelo;como tal).

• Si bien la mayoría de estas APP´s tienes la posibilidad de realizar orbitas (alrededor de un punto singular) ésta es la primera que me encuentro que permite planes en Hélice. Esto es muy útil para realizar inspecciones de torres de comunicaciones, puentes y otras estructuras similares (incluso edificaciones). Para realizar una práctica he planteado el levantamiento de la zona de la Atalaya de Segurilla (fortificación árabe cerca de Talavera) para que veáis un ejemplo de como se configuraría el trabajo (cuando haga el vuelo y lo pase por gabinete os amplío este post con los datos) ver anigif inferior:

• Pueden importarse las zonas/ejes a inspeccionar (como archivo *.kmz) y una cosa curiosa es que guarda el registro de vuelo de las misiones (como datos masivos de trayectoria, tiempo, velocidad, ubicación -- una nube de puntos del trayecto en *.csv).

• Aunque los repositorios expuestos son gratuitos tienen la pega de no disponer de la posibilidad de la importación de las alturas del terreno (DEM) de la zona de vuelo para que la misión lo calque (o no está activo/posible o es de pago). Es decir cuando se establece la altura de vuelo del levantamiento ésta se mantiene respecto al punto de despegue inicial (siempre es la misma). Esto en terreno muy ondulados/accidentados afectará al GSD (sería  variable) de cada punto de captura lo cual no es recomendable para trabajos precisos. 
• Si es cierto que combinando las posibilidades de todas las aplicaciones expuestas más el software de vuelo del fabricante (en mi caso DJI GO 4) podemos salir airosos de cualquier "encargo".
• El tema es que hay mas software de este tipo pero os aseguro que en casi todas hay que pasar por caja (he probado muchas y estas tres prácticamente son las únicas gratuitas, operativas y testadas por mi --> hay algunas que son tediosas o no funcionan bien): subscripciones por meses/otras un solo pago (DJI Ground Station, Dronelink, Dronedeploy, Map_Pilot, Rainbow for Dji, Precision Flight, Skycatch), algunas infumables aunque sean opensource (Mission Planner)

• Por este motivo he pensado realizar una entrada del BLOG utilizando una versión de 14 días de prueba de UcGS (no sé las opciones  que permitirá); ya que parece dentro de las "profesionales" la más versátil.
• Nada más que comentar; ya os voy contando (que sigo por aquí), espero que algo de lo expuesto os sea útil.
• By Rah.