Drones para topografía: Cómo funcionan y sus aplicaciones
Este artículo trata de cómo se utilizan los drones para la topografía.
Nos centraremos en la topografía con lidar mediante drones.
Explicaremos cómo los drones pueden capturar datos topográficos de precisión, qué tipo de datos se capturan, qué datos se generan y quién los utiliza.
¿Qué es la topografía con drones?
La topografía (o cartografía) con drones utiliza vehículos aéreos no tripulados (UAV) para recoger datos espaciales desde el aire. En lugar de utilizar personal de tierra para medir las dimensiones de una zona concreta de la superficie terrestre, los drones equipados con escáneres láser 3D y cámaras pueden recoger datos espaciales desde el aire. Esos datos se utilizan para producir un mapa acabado o un modelo 3D.
¿Por qué es popular hoy en día la topografía con drones?
La tecnología de los drones se ha hecho más fiable y segura con el tiempo. Los sistemas de carga útil más pequeños y ligeros que integran baterías, almacenamiento digital de datos, cámara y tecnología de escaneado láser permiten realizar levantamientos profesionales con drones. Como resultado, los drones han redefinido la profesión de topógrafo y se han convertido en una herramienta indispensable de cartografía y topografía.
¿Cuáles son los objetivos de la topografía con drones?
Antes de utilizar la tecnología de los drones y los sistemas cartográficos móviles, los equipos de topografía visitaban un lugar y realizaban una o varias de las siguientes tareas:
- Determina la posición relativa de cualquier objeto o punto de la Tierra;
- Determina la distancia y los ángulos entre varios objetos;
- Prepara un mapa o plano para representar un área en un plano horizontal;
- Define los puntos de control y los límites de un área.
Los drones son ahora una alternativa popular a la topografía terrestre para capturar nubes de puntos 3D. Éstas constituyen la base de varios productos topográficos que permiten determinar distancias y ángulos entre objetos y la posición de los objetos dentro del modelo.
¿Qué entregables se crean a partir de las prospecciones con drones LiDAR?
Los entregables creados a partir de nubes de puntos 3D incluyen mapas 3D del terreno, mapas topográficos, mapas de contorno, etc:
- Mapas 3D del terreno: mapas con una representación tridimensional, normalmente del terreno, materializada como un artefacto físico.
- Mapas topográficos: mapas a gran escala que definen y localizan elementos naturales y artificiales como bosques, vías fluviales, edificios importantes y puentes.
- Mapas de curvas de nivel: mapas topográficos 2D ilustrados con curvas de nivel imaginarias que conectan puntos que tienen la misma elevación;
- MDE: abreviatura de Modelos Digitales de Elevación (o «modelos de tierra desnuda»), que son representaciones de la superficie topográfica desnuda de la tierra, excluyendo árboles, edificios y otros objetos superficiales.
- Nubes de puntos coloreadas: combina una nube de puntos 3D (en escala de grises) y la información RGB de las imágenes ráster captadas con una cámara fotogramétrica, lo que da como resultado una nube de puntos 3D fotorrealista.
¿Qué sectores utilizan los datos de las encuestas con drones?
Los sondeos con drones se utilizan en topografía, minería, agricultura, urbanismo y construcción.
- Topografía: las topografías con drones mejoran los métodos tradicionales de topografía, ofreciendo gran precisión y detalle;
- Minería: las empresas mineras utilizan sistemas LiDAR para captar información geoespacial de la superficie natural, la infraestructura de una mina, su ampliación prevista y calcular los volúmenes de producción.
- Agricultura: El LiDAR mejora la productividad agrícola proporcionando información detallada sobre la salud de los cultivos y las condiciones del campo;
- Planificación urbana: al proporcionar información completa y actualizada sobre el entorno urbano, el LiDAR ayuda a los planificadores urbanos a asignar los recursos de forma más eficiente.
- Construcción: las empresas constructoras y los ingenieros civiles utilizanlas soluciones LiDAR UAV de en diversos proyectos para crear Modelos Digitales del Terreno (MDT), Modelos Digitales de Superficie (MDS) o Modelos Digitales de Elevación (MDE).
Diferentes tipos de prospecciones con drones
A continuación trataremos dos tipos principales de prospecciones con drones: Las prospecciones con drones basadas en LiDAR y las basadas en fotogrametría.
¿Qué son la cartografía con drones basada en LiDAR y la cartografía con drones basada en fotogrametría?
La topografía con drones basada en LiDAR utiliza escáneres láser 3D que capturan y almacenan nubes de puntos 3D en el dispositivo.
Éstas consisten en millones de puntos individuales que permiten una reconstrucción 3D precisa y exacta del área escaneada.
El funcionamiento del LiDAR en drones se explica con más detalle en otro artículo.
Los levantamientos topográficos con drones basados en la fotogrametría utilizan cámaras fotogramétricas que capturan imágenes 2D.
Éstas se unen mediante un software especial para producir una única imagen ortorrectificada de la zona topográfica.
Este proceso de unión es un paso intermedio necesario antes de producir nubes de puntos y modelos 3D a partir de las imágenes.
Las diferencias entre la fotogrametría y el LiDAR también se tratan en detalle en otro artículo.
¿Cuál es el papel de los receptores GNSS en los proyectos de topografía con drones?
Los estudios de campo utilizan dos receptores GNSS para obtener mediciones precisas.
El primero es una estación base, situada en un lugar conocido.
No se mueve durante el trabajo de prospección.
Su función es recibir datos de posicionamiento de los satélites y enviarlos a un segundo receptor GNSS, sostenido por un topógrafo para tomar mediciones puntuales.
La estación base fija mejora la precisión de los datos obtenidos con el receptor GNSS móvil.
Hardware y software adicionales necesarios para las prospecciones con drones
En el caso de una encuesta con drones, el dron volador está equipado con un receptor GNSS, que recibe datos de posicionamiento por satélite de un receptor GNSS terrestre fijo, de forma similar a una encuesta terrestre con un vehículo explorador y un topógrafo que se desplazan por un lugar.
La diferencia es que un dron sigue una ruta predefinida para realizar mediciones y funciona de forma autónoma.
Un software especializado de planificación de vuelos de drones permite a los topógrafos planificar su vuelo en detalle antes de la captura de datos.
Los drones son plataformas móviles que llevan un escáner láser 3D y cámaras para capturar nubes de puntos 3D e imágenes durante un vuelo.
Una IMU (Unidad de Medición Inercial) capta la velocidad y la orientación del dron para posicionar el sistema de escaneado y los datos que captura.
Esa información se combina con los datos de escaneado para alinear todos los datos en un sistema de coordenadas común y producir un modelo 3D del área de estudio.
¿Hasta qué punto son precisas las prospecciones con drones?
La tecnología LiDAR proporciona precisiones de nivel centimétrico.
En los levantamientos con drones, la precisión alcanzada depende de la precisión de los distintos componentes individuales: el LiDAR, la IMU y el GNSS.
La precisión perfecta no existe, ya que cada paso en el proceso de recogida de datos y creación de los resultados añade potencialmente un pequeño factor de error al resultado.
La precisión alcanzada con cualquier proyecto de topografía con drones refleja el valor de este factor de error con la mayor exactitud posible.
Cuando se habla de precisión en las prospecciones con drones, se distingue entre precisión relativa y absoluta.
Estos conceptos distinguen entre precisión y exactitud: la exactitud relativa hace hincapié en la coherencia de las mediciones entre sí dentro del conjunto de datos, al tiempo que garantiza que los datos recogidos se ajustan estrechamente a las coordenadas verdaderas o conocidas en el mundo real.
En general, la precisión de grado topográfico implica una precisión absoluta de 10 cm o menos.
¿Cuáles son las ventajas y los inconvenientes de los estudios LiDAR con drones?
Los drones con LiDAR son populares por varias razones:
- Datos de alta precisión: tanto los datos de fotogrametría como los LiDAR capturados con drones pueden cumplir las normas de alta precisión de la industria topográfica;
- La seguridad: Volar un dron se ha vuelto más seguro con el tiempo, ya no es necesario que un operador humano lo pilote cuando algo va mal.
Con los drones capturando los datos desde el aire, el personal de tierra ya no tiene que entrar en zonas peligrosas, lo que elimina riesgos. - Accesibilidad: los drones pueden entrar en lugares inaccesibles, como zonas naturales preservadas. Los levantamientos batimétricos LiDAR se realizan cada vez más a menudo con drones, sustituyendo a las operaciones tripuladas potencialmente peligrosas.
- Captura de datos 3D: El LiDAR captura nubes de puntos 3D directamente en el dispositivo, mientras que las cámaras fotogramétricas necesitan un paso intermedio para producir nubes de puntos 3D.
- Captación de la estructura forestal: con millones de pulsos por segundo, un sensor LiDAR puede atravesar pequeños agujeros entre las densas estructuras forestales y llegar al suelo.
Tener múltiples retornos de un solo pulso láser permite ver lo que hay bajo el dosel. - Ahorro de costes: los drones permiten a las empresas topográficas trabajar más rápido y con menos personal.
El trabajo de un equipo de cinco personas puede hacerse con un solo dron y un solo operador, sin comprometer la calidad de los datos.
Esto les permite trabajar más rápido.
Figura 2.
Disponer de múltiples retornos de un único pulso láser permite ver lo que hay debajo de la cubierta.
Dicho esto, también hay inconvenientes o retos en el uso de drones para proyectos topográficos:
- Permisos necesarios: obtener permiso para volar un dron requiere la autorización de las autoridades. En el caso de las misiones BVLOS (Beyond Visual Line of Sight), puede llevar algún tiempo y esfuerzo antes de que un proyecto pueda seguir adelante.
- Tiempo y esfuerzo adicionales para garantizar la alta precisión de los datos: los datos de alta precisión requieren más esfuerzo para garantizar dicha precisión, como utilizar más puntos de control del terreno. Más esfuerzo significa mayores costes del proyecto.
- Visibilidad limitada desde el aire: las estructuras construidas, como los puentes, pueden obstruir la visión del dron desde el aire, lo que requiere una inspección adicional desde tierra.
- Experiencia intrusiva del usuario: las prospecciones con drones pueden ser percibidas como intrusivas por otras personas, por ejemplo en zonas pobladas como las ciudades. En estos casos, la topografía terrestre puede ser una opción mejor.
¿Cuál es el mejor dron para la topografía con drones?
Para la topografía con drones se utilizan los tres tipos de plataformas siguientes: drones multirrotor, de ala fija y de un solo rotor.
- Los UAV multirrotor incluyen varios motores que trabajan juntos para elevar el dron verticalmente.
- Los UAV de ala fija producen la fuerza de sustentación de sus alas en lugar de hélices.
- Los vehículos aéreos no tripulados de un solo rotor tienen un único rotor grande para la sustentación y un rotor de cola que controla la dirección y la estabilidad.
La elección del mejor tipo de dron para tu proyecto cartográfico depende de múltiples factores, entre ellos algunos de los siguientes:
- El tamaño y la forma del área de topografía, que influye en la agilidad para volar, despegar y aterrizar el dron;
- Tiempo máximo de vuelo disponible por encuesta, en función de la carga de la batería;
- Carga útil del dron, o peso máximo del sistema LiDAR del dron;
- Altitud de vuelo combinada con Campo de Visión (FoV), para encontrar el punto óptimo tanto de productividad como de precisión de los datos;
Los drones de ala fija ofrecen tiempos de vuelo más largos que los drones multirrotor y pueden cubrir zonas más extensas. En otro artículo encontrarás una comparación detallada entre las tres plataformas y un resumen de todos los factores clave para tu próximo estudio LiDAR con drones.
Seleccionar el sistema LiDAR adecuado para tu dron puede ser una tarea desalentadora. YellowScan ha probado varias plataformas de drones en los últimos años, incluidos UAV multirrotor, UAV helicóptero, UAV de ala fija y aviones tripulados. Para obtener una lista completa de los UAV compatibles con el sistema LiDAR de YellowScan, explora la página de integraciones de plataformas LiDAR de YellowScan.
Figura 3.
Navegador YellowScan montado en el Acecore Noa
Preguntas frecuentes
¿Qué es la topografía con drones?
La topografía con drones utiliza vehículos aéreos no tripulados (UAV) para recoger datos espaciales desde el aire con cámaras fotogramétricas, escáneres láser 3D o ambos.
Los datos captados con el dron permiten crear modelos y mapas 3D y 2D de gran precisión.
¿Hasta qué punto son precisas las prospecciones con drones?
Los sondeos con drones proporcionan precisiones centimétricas.
Diferentes técnicas ayudan a mejorar la precisión de los datos durante y después de su captura.
Entre ellas se incluyen el uso de puntos de control en tierra, RTK y PPK.
Cualquier levantamiento con drones utiliza dos receptores GNSS para garantizar la precisión a nivel centimétrico: una estación base estática en tierra, que proporciona datos de posicionamiento por satélite al dron al capturar los datos.
¿Cuáles son las ventajas de utilizar drones para la topografía?
Los drones capturan grandes cantidades de datos de alta precisión en poco tiempo.
Esos datos tienen una calidad uniforme y mejoran la seguridad de los operadores.
Los drones son una solución escalable para las empresas de topografía y pueden llevarse a cabo con menos personal que los proyectos de topografía terrestre.
¿Qué sectores utilizan las encuestas con drones?
Los estudios con drones se utilizan en la industria topográfica, minera, agrícola, urbanística y de la construcción.
¿Qué drones son mejores para la topografía?
Para la topografía con drones se utilizan los tres tipos de plataformas siguientes: drones multirrotor, de ala fija y de un solo rotor.
En otro artículo se ofrece una comparación detallada entre las tres plataformas.
