Levantamiento topográfico aéreo hecho por un UAV Puede sustituir levantamientos topográficos terrestres GPS?

Transcripción

1 Levantamiento topográfico aéreo hecho por un UAV Puede sustituir levantamientos topográficos terrestres GPS? Caso Estudio Por Brian Kerr, O.L.S., C.L.S., O.L.I.P., y Jean- Francois Dionne, GISP. C.Tech CONTEXTO mayor parte del sitio es relativamente llano, y está compuesto de campos abiertos con ocasionales líneas intermedias. En mayo del año 2015, Topografía McIntoch Perry Inc. En colaboración con UKKO, llevaron a cabo una prueba para volar el ebee Rtk, el cual tiene una capacidad de adquisición de fotografía aérea a baja altitud. El propósito de la prueba era comparar la precisión de las posiciones horizontales y verticales de elevación contra un levantamiento topográfico detallado del sitio efectuado el 2014 por McInstosh Perry en la misma propiedad usando unidades base Trimble R8 y rover GPS RTK. Jean-Francois Dionne de UKKO preparando el ebee RTK de sensefly para su vuelo Ortomosaico del Terreno El sitio se trata principalmente de tierras de cultivo: son 40 hectáreas de tierra rodeadas por una combinación de propiedades residenciales, comerciales e industriales y se encuentra dentro de los 3 km de un aeropuerto incontrolado. La La tierra está actualmente siendo considerada para el desarrollo, y va a requerir de un plan base detallado, el que deberá incluir información de títulos y límites, localizaciones exactas de todos los edificios existentes, las características del drenaje, centros de servicio, puntos de acceso, líneas de árboles y zonas de matorrales, y un modelo integral contorneado del terreno. El proceso de desarrollo moderno en Ontario considera restricciones culturales y ambientales en formas de zonas de humedales, especies en peligro de extinción, características arqueológicas y conservación del arbolado. También debe abordar cuestiones de servicio, como la gestión de las aguas lluvias, instalaciones de servicios públicos, suministro de agua y lugares de alcantarillado sanitario, así como el diseño de la carretera y parcelación de la urbanización. El plan base, que es en realidad un modelo digital tridimensional, comienza con la representación de las condiciones precisas

2 existentes en el sitio, y además crecerá como documento digital, cuando se entregue la información cultural, ambiental, de servicios, para el plan base. LA TOPOGRAFÍA EN TERRENO DEL GPS RTK La topografía previa del sitio, realizada por McIntosh Perry, se completó a finales de 2014 mediante la identificación visual y la toma de observaciones del GPS del RTK de líneas de quiebre y de las características físicas, tales como zanjas y alcantarillas, callejuelas, edificios, líneas de postes visibles y superficies adyacentes. El sitio estaba cubierto por una ligera capa de nieve durante el estudio, sin embargo, la superficie del terreno era fácilmente identificable. La topografía del campo resultó en la toma de aproximadamente 1800 puntos, cada uno con las coordenadas X, Y & Z. A partir de los datos adquiridos, se preparó un modelo digital del terreno, y los contornos fueron desarrollados utilizando el software CAD, para poder ser incluidos en el plan base. Se observaron precisiones en el campo que proporcionaron resultados entre 3 y 8 cm en cada uno de los 3 ejes más del 95% de las observaciones, con precisiones combinados con un promedio de 5 a 6 cm. Estos resultados se lograron mediante el uso de una estación GPS base fija. Este nivel de precisión fue requerido por los ingenieros del diseño, para así poder preparar un plan de servicio preliminar, confiando en que el concepto de gestión de aguas lluvias fuera viable una vez que el desarrollo haya sido aprobado por la autoridad municipal. EL VEHÍCULO AEREO NO TRIPULADO: EL EBEE En mayo de 2015, McIntosh Perry y Ukko acordaron realizar una prueba exhaustiva para comparar la precisión, el tiempo y el costo de una topografía aérea realizado por el UAV de ala fija, el ebee RTK de UKKO, con el levantamiento topográfico completado en 2014 con un GPS base RTK. El ebee RTK lleva una a bordo una cámara Sony de 18 megapíxeles y funciona muy parecido a la fotografía convencional de plataformas aéreas, con dos notables diferencias: el ebee es un avión no tripulado que sólo 750 gramos, y la cámara que lleva a bordo, es una cámara barata que apunta y dispara. El ebee logra una alta resolución de su foto, volando en altitudes de menos de 120 metros, donde 1 píxel en la fotografía equivale a 3 cm en el suelo. El ligero peso y fuerte diseño de seguridad que tiene este avión, lo pueden eximir, en condiciones específicas, de las regulaciones de Transport Canada, que de otro modo tendría que adquirir un Certificado Operativo de Vuelo Especial (SFOC) para cada vuelo. El UAV es controlado por un sotfware llamado emotion 2, que permite al operador utilizar un notebook en terreno para preparar el plan de vuelo, controlar la posición exacta de la aeronave en todo momento, y controlar la unidad, mientras esté en el aire. El software también actúa como una interfaz entre el UAV y la estación base de GPS. LA TOPOGRAFÍA AÉREA DEL EBEE Para esta medición, se utilizó como estación base una unidad de Trimble R10 RTK GPS, situado en un punto con coordenadas conocidas. La unidad de GPS fue proporcionada por Cansel específicamente para ser utilizada en esta prueba. Conocida la latitud, la longitud y la altura elipsoide para la base, se introdujeron al software emotion 2 que se encontraba en el notebook, y la base estaba conectada al UAV a través del notebook, donde en tiempo real el RTK pudo hacer correcciones al UAV durante el vuelo. El receptor GPS RTK que va en el ebee, va constantemente actualizando la información que existe en su notebook con la desviación calculada de su ajuste desde la estación base, un valor que promedió los <2 cm durante todo el vuelo.

3 Para las comparaciones de precisión, McIntosh Perry había establecido previamente 6 puntos de control específicos (GCP). Estos GCP no fueron utilizados en el procesamiento de los datos finales, sino que sólo como un control de la exactitud de la determinada posición mediante el procesamiento de los datos adquiridos por el UAV. El plan de vuelo fue registrado en el notebook: las fotografías serían tomadas con una superposición lateral del 70 % y una superposición longitudinal del 85 %. La altitud máxima para el trabajo fue de 100 metros, proporcionando una resolución en tierra de 3 cm / pixel. La configuración requirió unos 10 minutos. El ebee fue lanzado a mano y voló un patrón predeterminado de líneas de vuelo, tal como fue preprogramado en el software de planificación de vuelo y capturó cerca de 314 fotografías en poco más de 28 minutos. Durante el vuelo, los vientos alcanzaron su punto máximo, 18 km / hora, y el UAV fue capaz de ajustar su ruta, usando la unidad RTK GPS que lleva a bordo y su actitud, (corrección de viraje, cabeceo y balanceo) utilizando el acelerómetro incorporado. La proximidad al aeropuerto, requiere que el titular esté consciente de tráfico del aire en todo momento, tanto de manera visual, como con el uso de una radio que esté sintonizada en la frecuencia de asesoramiento del aeropuerto. En una ocasión el UAV fue desviado, para asegurar una buena separación con una aeronave que estaba subiendo en el circuito del aeródromo. La instrucción de desvío que se dio al UAV se realizó rápidamente, y el UAV se trasladó a un lugar para "estar y esperar", y luego el vuelo se reanudó tan pronto como el espacio aéreo estuvo despejado. RESULTADOS PostFlight Terra 3D, es el software de post proceso, el cual es suministrado con el equipo y proporciona la función de aerotriangulación de las fotografías, además configura el sistema de coordenadas al usado en la topografía inicial del terreno (en este caso NAD83CSRS MTM Zona 9) y el ajuste de la separación geoidal de la base a las elevaciones ortométricas. Modelo de la Superficie Líneas de vuelo y Foto-Centros El software genera una nube de puntos, en este caso a una densidad de 115 puntos por metro cúbico, o un total de más de 31 millones de

4 observaciones individuales a través de esta propiedad. Una comparación de los modelos digitales del terreno creados a partir de la topografía del terreno y desde el reconocimiento aéreo, se indica una desviación estándar promedio de 5 cm en los valores verticales a través del sitio, el cual está dentro de los requerimientos para la creación preliminar del plan de servicios por parte de los ingenieros de diseño. Figura 1 La tabla de la figura 1 indica los valores comparativos obtenidos en contra posición de los 6 puntos de control específicos, en base a la aerotriangulación. Los valores de error Sigma y los de RMS dan una imagen más clara de la desviación real entre los dos conjuntos de valores. GPS VS UAV (Figura 2) La figura 2 ilustra la distribución de puntos de datos en relación a lo largo de un perfil de muestra de aproximadamente 180 metros de longitud. Mientras el personal del campo adquirió información posicional sobre 7 puntos topográficos en la tierra a lo largo de este perfil, el ebee adquirió aproximadamente puntos de datos. El perfil ilustrado es una muestra representativa de muchos otros que se examinaron a través de los 2 modelos. Las desviaciones existentes entre las mediciones terrestres y las mediciones aéreas, a lo largo de todo el sitio, tiende a reflejarse con precisión en los valores RMS mostrados en la Figura 1. En la mayoría de los puntos muestreados, las desviaciones horizontales tienden a ser <5 cm en puntos difíciles de la foto de identificación, y las desviaciones verticales entre 5 y 10 cm en los tiros de tierra. El gran número de puntos que se obtuvieron usando el UAV, como se representa en la figura 2, indican la limitada eficacia de tener equipos en el campo que seleccionan y observan los suficientes puntos de tierra como para proporcionar un modelo de superficie exacta. La diferencia de 20 centímetros que existe entre las elevaciones de tierra a lo largo de la pendiente que se muestra en la Figura 2, es probablemente atribuible a que sólo en ese lugar hay 3 puntos de tierra a lo largo de la pendiente en este perfil, a diferencia de aproximadamente 360 puntos aéreos a lo largo de la misma longitud.

5 RESUMEN Esta prueba ha demostrado que un modelo de terreno creado a partir de los datos adquiridos por medios aéreos utilizando la plataforma del ebee, puede competir con éxito en cuanto a la precisión, con un levantamiento convencional topográfico de suelo completo, utilizando receptores GNSS RTK, que comprenden un GPS base y un móvil. Estos resultados son ingeniería de diseño y están muy por encima de los requisitos para los proyectos de planes de subdivisión. Sin embargo, los verdaderos beneficios de esta tecnología no son simplemente duplicar los resultados convencionales. El tiempo necesario para hacer estas mediciones es sustancialmente diferente. La medición de tierra requiere de 4 días de tiempo completo en el campo, mientras que la medición aérea requiere de 1 hora, la cual incluye la instalación y el desmontaje. El ajuste y la determinación de los puntos de control añadió otras 3 horas a la medición del terreno en este caso, pero esa función era sólo para propósitos de prueba, y normalmente no se hace para una medición aérea controlado por un RTK GPS. El tiempo para el post proceso es similar en ambos casos, aunque hay más opciones disponibles utilizando el software PostFlight Terra 3D que el uso del software CAD. La disminución sustancial del tiempo que el personal debe estar en el campo, se traduce en un ahorro sustancial de costos. El mayor beneficio que tiene la medición aérea es, sin embargo, la cantidad de datos que se adquieren. En este caso, la medición por tierra obtuvo puntos de datos, escogidos selectivamente por los ojos entrenados del personal de campo. Existen limitaciones, respecto de lo bien en que el equipo de medición puede constantemente recoger líneas de quiebre del terreno, como se vió en el ejemplo de la pendiente anterior. En comparación, la medición aérea adquirió más de 31 millones de puntos de datos a una densidad de 115 puntos por metro cúbico. Con tan alta densidad de adquisición de datos, no hay necesidad para que la plataforma aérea diferencie entre las características del terreno para proporcionar una descripción exacta de la superficie. Simplemente graba todo lo que "ve" con gran detalle. Sobre la base de esta prueba, las superficies generadas por la medición aérea, pueden ser confiadas para proporcionar una topografía precisa y detallada del sitio en todos los puntos en la superficie, sin la gran cantidad de interpolación requerida para construir un modelo de terreno sobre la base de cifras mucho más limitadas de observaciones en el terreno. Las implicancias de un volumen masivo de datos son de dos tipos. Primero, será necesario para editar archivos de datos, reducirlos a un tamaño manejable, para que los datos puedan ser trabajados por la mayoría de los sistemas informáticos de oficina. En segundo lugar, la disponibilidad de esos 31 millones de puntos indica un cambio de paradigma en la forma en que los topógrafos verán la topografía. Con esta plataforma aérea y más la alta densidad, la nube de puntos saturada se convierte en un recurso permanente que se puede denominar, sin la necesidad de tener que enviar personal de campo de nuevo al sitio. Aun cuando para facilitar su uso el archivo puede ser editado a una fracción de su tamaño después de que el modelo de terreno se ha construido, éste permanece disponible en formato RAW, para cualquier requerimiento que pueda surgir para focalizarse en una pequeña porción compleja del terreno, como pendientes convergentes en una zanja, paisajes o superficies variables, cercas, instalaciones de servicios públicos o incluso edificios, que se pueden ver no sólo desde el cenit, sino también en vistas oblicuas. Ebee RTK de SenseFly con GPS de precisión incluido

6 En otras palabras, el paradigma con que los topógrafos y otros profesionales viven hoy trata de que la topografía se hace en el campo y el procesamiento se realiza en la oficina, la cual se desplazará a una donde la adquisición de datos se lleve a cabo en el campo y la topografía se realice en la oficina. Se trata de tener la propiedad de forma virtual, a la derecha en su oficina, y ser capaz de volver a ella, medirla, visualizarla y diseñar dentro de ella, sin tener que abandonar su silla Brian Kerr es un Gestor de Proyectos Senior con McIntosh Perry Topografía Inc., especializándose en aplicaciones de tecnología aérea en topografía y cartografía. Él puede ser localizado en b.kerr@mcintoshperry.com Crédito de todas las fotos: Brian Kerr. Jean-Francois Dionne es el UAV / UAS Técnico Especialista de topografía en UAV con UKKO (unadivisión de AG Negocios y Cultivos Inc.), especializándose en la operación y ventas del ebee RTK de sensefly y exom de sensefly. Él puede ser localizado en jfdionne@ukkocanada.ca Kyle Mannion of McIntosh Perry surveing inc. lanzando el ebee RTK