Curvas de nivel a partir de imágenes satelitales (Parte 1)

La existencia de sensores de muy alta resolución como el WorldView 3 o el TerraSAR-X SpotLight, han establecido la pauta para nuevos desarrollos e investigaciones relacionadas a las capacidades técnicas y físicas en adquisición de datos desde el espacio, que van desde nuevos sensores multiespectrales, hiperespectrales o la estereoscopía satelital.

La estereoscopía es un tema con el que hemos trabajado desde hace tiempo en la empresa, y que aplicamos en diversos proyectos que van desde vuelos fotogramétricos tradicionales o en la generación de Modelos Digitales de Superficie (MDS) a partir de sobreposición de imágenes e identificación de rasgos físicos.

El motivo del presente post, es presentar los alcances de extracción de curvas de nivel empleando imágenes satelitales de tipo estéreo par.

Satélites con capacidades estéreo par

Existen diversos sensores que ofertan datos en estéreo par. Sin embargo, en este post (Parte 1) abordaremos los sensores de la constelación Digital Globe, especialmente los de los satélites WorldView 2 y 3.

Las imágenes del sensor WorldView 2, tienen una resolución espacial de 0.46 m en pancromático y ocho bandas multiespectrales desde su lanzamiento en octubre del 2009 y hasta el 2014, era uno de los satélites comerciales con mayor resolución espacial y espectral del mercado; sólo mejorado por el WorldView 3 lanzado en Agosto del 2014, con 0.31 m de resolución espacial y ocho bandas multiespectrales.

Actualmente, ambos satélites se encuentran funcionales y adquieren imágenes multiespectrales de tipo estéreo par. En el presente post, mostraremos las capacidades del satélite WorldView 2, extrayendo curvas de nivel con una presición de entre 1 y 5 m. (Precisión en Z del satélite).

Proyecto

El insumo base para la extracción de un Modelo Digital de Superficie, es una imagen en estereo par, que para el caso del distribuidor DigitalGlobe corresponde a productos de la serie "Geo/GeoStereo" o "Stereo satelite imagery". A continuación se muestra un par estereoscópico previo al proceso de extracción de MDS.

Una vez realizadas las correcciones geométricas y radiométricas pertinentes, se procede a ejecutar el algoritmo de extracción de MDS mediante estereoscopía, arrojando una nube de puntos como la que se muestra a continuación.

Finalmente, se procede al cálculo de curvas de nivel, el método de interpolación es variable y depende de las condiciones del terreno; para el caso del presente ejemplo se realizó el método de Krigging.

Curvas de nivel generadas a partir del MDS. Para obtener curvas de nivel a nivel terreno, es necesario clasificar la nube de puntos.

Conclusión

Si bien; el método automatizado requiere de trabajo en gabinete para depurar la nube de puntos generada, y realizar una selección o clasificación del MDS (muy similar al procesamiento de un Lidar o vuelo fotogramétrico multirrotor), representa una herramienta muy poderosa en la generación de Modelos Digitales de Superficie (MDS, representando todas las elevaciones de una imagen), Modelos Digitales del Terreno (MDT, sólo el terreno) y curvas de nivel de terrenos extensos, permitiendo abatir costos y acortar tiempos de entrega.

Fotogrametría vía multirrotor aplicada a topografía de carreteras (Parte 1)

Como se abordó en otras entradas, la fotogrametría actualmente representa un valioso recurso para representar -de manera económica y certera- datos relacionados a elevaciones del terreno con una resolución muy alta; llegando hasta los 2 cm de resolución espacial en planimetría y de hasta 10 cm de altimetría.

En la presente entrada, se abordará un proyecto de fotogrametría vía multirrotor aplicada a topografía de carreteras desde su inicio hasta culminación para mostrar las capacidades técnicas de los levantamientos multirrotor.

El proyecto consiste en el levantamiento de un entronque con Paso Inferior Vehícular (PIV) y vegetación de Bosque de Montaña. Para realizar el vuelo se empleó un multirrotor de la Marca DJI Modelo F450, cabe destacar que el multirrotor solo representa la plataforma donde se monta la cámara, por lo que las características del Multirrotor o sus capacidades técnicas sólo impactan el resultado en los tiempos de entrega y cobertura de superficie. 

El área proyectada tiene una superficie de 20 ha. Por lo que se planeo un programa de vuelo con 9 líneas de vuelo, capturando un aproximado de 1,000 fotografías.

Posterior al sobrevuelo, se realizó el procesamiento de gabinete. En el cual se alinearon 932 fotografías, generando una nube de puntos o Modelo Digital de Superficie con un total de 25,757,804 puntos; que en 200,000 metros cuadrados que existen en 20 Ha, se obtiene un promedio de 128 puntos por metro cuadrado -Valor tangiblemente mayor a los resultados obtenidos en tecnologías LIDAR-.

Es a partir de la creación del Modelo Digital de Superficie, que se generan los productos geográficos necesarios para los estudios topográficos generados a través de esta tecnología.

Entre los principales productos y resultados se tienen:

Ortofotos

Las ortofotos son imágenes creadas a partir de la unión georreferida de imágenes capturadas por distintos sensores y permiten realizar mediciones con un gran nivel de precisión.

Las ortofotos son ideales como referencia en planos y mapas y constituyen uno de los principales insumos generados por la empresa.

Modelos Digitales de Superficie

Un Modelo Digital de Superficie (MDS) es una representación visual y matemática de los valores de altura con respecto a un banco de nivel de un área en particular. Permite identificar formas del relieve y los elementos que conforman el paisaje. Cabe destacar que los MDS generados por este método cuentan con gran similitud con los MDS generados por métodos láser con el LIDAR, con la diferencia de la dispersión de puntos, ya que a través de estos métodos -y en el caso particular del presente ejercicio- se logró una densidad de 128 puntos por metro cuadrado.

Modelado de un Tarro Alemán

Para probar las capacidades del modelado tridimensional aplicando procesos de fotogrametría y creación de nubes de punto densa, se procedió a realizar un proyecto de modelado de un Tarro Alemán con grabados en toda su Geometría.

Para el proyecto se realizaron 170 tomas a nivel de piso en diferentes ángulos y posiciones, de manera que las fotografías abarcaran, en medida de lo posible, la mayor superficie y detalles del Tarro; para posteriormente realizar una alineación básica de las imágenes en software especializado en modelado.

A continuación se procedió con el modelado de la nube de puntos, equivalente al Modelo Digital de Superficie, y la triangulación posterior. Los resultados resultan impresionantes, mostrando detalles a nivel milimétrico sobre la imágen.

Conclusión

La modelación de elementos tridimensionales empleando fotografías es una poderosa herramienta. El empleo de distintas plataformas como Multirrotores, Autos, Barcos o a pie complementa de manera sustancial los estudios, sin embargo, representan tan solo la plataforma y la base de las técnicas de modelado.

Qué es Geomática?

La palabra geomática (geo “tierra” y mática “informática”) tuvo su origen en 1982 en la revista “Le géométre Canadien” por Michel Paradis, un agrimensor quién sugirió –debido a la creciente necesidad de información geográfica- ampliar e integrar una nueva disciplina a las ya tradicionales respecto a la toma, captura, tratamiento y almacenamiento de datos. En 1986 la Universidad Laval en la provincia de Quebec comenzó a impartir la carrera de ingeniería geomática, y posteriormente en otras universidades de Canadá. 

En la segunda mitad del siglo XX hubo un desarrollo en los procedimientos, métodos y técnicas y por lo tanto cambios cualitativos y cuantitativos en la demanda y oferta de datos que satisficieran la necesidad de la sociedad. La disponibilidad de información, así como la actualización de estos fue evolucionando desde los métodos convencionales hasta los que hoy en día se utilizan.

Actualmente, la geomática es un término científico de reciente acuñación y se describe como la medición, gestión, captura, almacenamiento, procesamiento y publicación de información con un componente geoespacial. 

Sin embargo es erróneo definir a la geomática como sólo el proceso de adquisición o publicación de datos, cuando una parte integral de esta es el estudio, análisis, desarrollo e implementación de la información recolectada aplicada a diversas ramas de la ciencia. Más aún cuando los resultados tienen aplicación en la vida cotidiana, un claro ejemplo de ello es el uso de los sistemas de información geográfica para tomar la mejor ruta de transporte sin tráfico. 

Todas aquellas actividades que requieran la toma de decisiones, planificación o gestión del territorio necesitan ser estudiadas desde diversos ángulos que permitan involucrar todas las variables que intervienen, y es ahí precisamente donde la geomática responde a estas necesidades desde la adquisición de información a través de técnicas de topografía, plataformas satelitales o drones para fotogrametría para su posterior estudio mediante análisis matemático y procesamiento de datos y su futura publicación y aplicación. 

Todo ello para dar respuesta a la necesidad de conocer y entender las relaciones existentes entre el medio biótico y abiótico con el ser humano, generando información y aplicaciones que permiten la convivencia y estabilidad del entorno.

-Pamela

¿Drones y Topografía?

La fotogrametría con multirrotores y sus productos derivados son temas en boga entre los especialistas de las áreas especializadas en la adquisición de datos -Geomáticos, Topógrafos, Fotogrametristas, etc.- así como de las usuarias de los mismos -Biólogos, Geógrafos, Ingenieros, etc-.

Los productos que se pueden obtener de un mosaico fotográfico tomado desde una plataforma aérea portátil y sencilla como un multirrotor (Drone), resultan impresionantes y vastos para usuarios de servicios fotogramétricos tradicionales -con plataformas complejas como avionetas y cámaras especializadas en tomas fotogramétricas-, considerando que las fotografías se toman ahora con una cámara tan compacta y sencilla, pero a la vez poderosa, como una GoPro.

No es tema de discusión el demostrar como la fotogrametría tradicional, empleando equipo especializado, es infinitamente superior a la fotogrametría vía multirrotor, porque definitivamente lo es. Sin embargo, la facilidad de vuelo de los multirrotores (Los GPS integrados en los equipos permiten el vuelo estático sin siquiera tocar el control), su disponibilidad (anteriormente se debían de planear con antelación líneas de vuelo y todo un plan para la realización de tomas aéreas), su practicidad (existe software fotogramétrico que permite el proceso de mosaicos con un clic) y el costo de sus partes en conjunto (considerablemente menor) hacen de la fotogrametría multirrotor una opción hoy en día. 

La pregunta es, ¿Realmente la fotogrametría multirrotor llegó para sustituir a las técnicas tradicionales de adquisición de datos, ergo Topografía o Fotogrametría?

Existen muchas opiniones, y la gran mayoría resultan controversiales. Sin embargo, me atrevo a afirmar que la fotogrametría con multirrotor viene a complementar y enriquecer los estudios territoriales, sin embargo debe de realizarse por profesionales serios y nunca debe de considerarse como un mero sustituto a las complejas técnicas de topografía. A continuación mi justificación.

La teoría

Los fundamentos de la fotogrametría clásica  no han cambiado significativamente desde principios de 1900 con la aplicación de las primeras técnicas de estereoscopía. Desde aquel entonces, los expertos han experimentado -y logrado con éxito- montar cámaras en diversas plataformas que van desde globos a satélites y aviones, porque evidentemente, la mejor percepción que se puede tener del terreno es, desde arriba. 

Con base en los conceptos de estereoscopía sabemos que es necesario que las tomas fotográficas posean un área de traslape considerable, ya que sólo ahí se percibe la profundidad en la adquisición, característica visible -en la era dorada- a través de pares estereoscópicos y actualmente a través de anaglifos o polarización.

La fotogrametría hoy

Mientras el concepto permanece igual, las aplicaciones y desarrollos computacionales han prosperado en una actualidad enfocada en automatizar procesos y obtener una especialización cada vez menor del usuario, reflejado en herramientas sencillas y el famoso next, next. En materia fotogramétrica, es posible que un usuario que desconozca conceptos básicos, ingrese datos en un sistema y obtenga un resultado aceptable. Hasta aquí todo bien, pero ¿Cuál es el problema?

Los procesos fotogramétricos que ejecutan las aplicaciones comerciales para fotogrametría con multirrotores se basan en su totalidad en el procesamiento de datos ráster a través de la alineación de tomas fotográficas realizadas sobre un objeto -de entrada los conceptos básicos de jaw, pitch y roll son irrelevantes-, donde el usuario puede incluir datos de control terrestre tomados con un GPS o de bancos de nivel u objetos conocidos para mejorar el proceso (de hecho son necesarios para obtener un modelo georreferido a un sistema de coordenadas). A continuación el software desarrolla procesos -al claro estilo de caja negra- donde entrega como resultado un DTM o Modelo Digital del Terreno, es decir muestra todas las elevaciones existentes en una zona.

A partir de aquí es donde el usuario debe interpretar y generar los productos necesarios para el estudio, ya sea una ortofoto, curvas de nivel, nube de puntos (DTM) o un Mesh -parecido al clásico TIN-. Es precisamente en este paso donde se debe de conocer la teoría detrás de la técnica. Me explico a continuación.

Los resultados generados se producen a través del tratamiento de datos raster donde el píxel es la unidad básica de información. Los resultados que se entregan a través de ortofotos y otro tipo de imágenes en formato raster -hasta los mesh o modelos tridimensionales resultan una interpretación (render) de la información de elevaciones obtenida en pasos anteriores- son resultado del mosaiqueo e interpolación (o extrapolación) de los datos ingresados en el sistema. 

 La precisión o resolución del raster resultante depende de la densidad del DTM generado y se expresa normalmente en metros, sin embargo obtener una ortofoto de 5 cm no significa que objetos de 5 cm sean visibles, es bien sabido que un técnico o dibujante con buen ojo -e imaginación- podrá interpretar elementos que posean al menos, dimensiones del doble de la resolución espacial contenida, es decir objetos de 10 cm. 

En materia de georreferencia, es importante considerar esos 10 cm, porque al realizar puntos de control terrestre, es necesario vincular marcas sobre el terreno a las fotografías obtenidas, si el objeto más pequeño que se puede distinguir es de 10 cm, ¿Es posible obtener una precisión con GPS de mm? La respuesta es no, por lo que hay que considerar que siempre tendremos una precisión en su georreferencia menor, a la resolución espacial del pixel resultante.

Conclusión

Si bien la fotogrametría con multirrotores está creciendo en popularidad y pronto resultará un método preciso, exacto y económico para realizar levantamientos, aún queda mucho por investigar y desarrollar en ese campo. Así mismo, es importante que los levantamientos fotogramétricos con drones sean realizados por profesionistas o empresas serias que conozcan la teoría detrás de la técnica, toda vez que la Topografía y Fotogrametría son ciencias exactas que valoran la exactitud y precisión en su trabajo.