Crear MDTs a partir de fotogrametría realizada con dron

January 10, 2020

El siguiente post trata sobre la elaboración de Modelos Digitales del Terreno obtenidos con dron.

En realidad, un dron a no ser que vaya equipado con un equipo LiDAR, no nos sirve para generar Modelos Digitales del Terreno, únicamente Modolos Digitales de Superficie. ¿Diferencia?

Los MDS, como el nombre indica, son normalmente imágenes Raster que contienen un atributo de elevación. La elevación hace referencia a todos los elementos que hay en superficie. En pocas palabras, si hay un árbol o una casa, estará representada.

El MDT por el contrario, muestra datos de elevación que hacen referencia al terreno.

Un dron equipado con un sensor RGB no puede llegar a generar un MDT, puesto que se está generando un modelo de elevación por fotogrametría. Esto quiere decir que la información que hay en superficie, que es capturada, no puede eliminarse. Por poner un ejemplo, si realizas un vuelo fotogramétrico y tienes en tus imágenes una cobertura forestal, por ende nos estás capturando información del suelo del suelo, por lo que ¿cómo lo podríamos representar?¿Es la fotogrametría una técnica viable y fiable para la generación de modelos digitales del terreno?.

¿Cómo se realiza un MDT?

Los MDT son el resultado de levantamientos topográficos, de manera que se enmarcan dentro del campo de la topografía:

conjunto de métodos e instrumentos necesarios para representar el terreno con todos sus detalles naturales o artificiales

Sin embargo como se viene contanto, otras disciplinas como la fotogrametría se ocupan también de este campo. Por qué?

  • rapidez
  • precisión que ha supuesto

en la generación de planos topográficos y mapas a partir de fotografías aéreas mediante restituidores.

La representación del terreno podría reducirse a una serie de puntos aleatorios en el terreno y cada uno de ellos con su cota respectiva unidos normalmente por curvas de nivel que unen puntos del terreno con la misma altitud

Por lo tanto, un levantamiento convencional se suele llevar a cabo mediante

  • topografía clásica
  • fotogrametría

Topografía clásica

Cuando se realiza un trabajo topográfico hay que tener claro que el terreno no sólo va a quedar definido mediante las líneas de nivel, sino que será necesaria información adicional que permita captar los quiebros del terreno, los puntos singulares del mismo, etc. De esta manera, llegamos al concepto de líneas duras, también conocidas como líneas de quiebro o de ruptura, porque precisamente nos informan sobre eso.

  • Líneas de nivel (LN): tienen coordenadas X,Y variables en todos sus puntos. La cota (Z) permanece constante para cada línea.
  • Líneas de quiebro(LQ): tienen coordenadas X,Y,Z variables en todos sus puntos.

Es por ello que cuando los datos tomados en campo, los cuales han sido diferenciados entre LN y LQ, se utilizan en un software de CAD para procesar una superficie que modele exactamente la superficie tal y como es, respetanto quiebros, vaguadas, márgenes, etc. Si los datos han sido tomados, por supuesto.

Fotogrametría

No voy a explicar el proceso fotogramétrico ni planificación de vuelo, etc. por que suficiente información hay en este blog e internet. Directamente: los drones que podríamos llamar “convencionales” o comerciales, ya traen consigo sensores capaces de ayudar a realizar levantamientos topográficos, aunque habría que diferenciar entre dos tipos, los que tienen un sensor RTK y los que no. Los que tienen un sensor RTK/PPK en la mayoría de los casos no van a necesitar de ningún otro apoyo (al menos en España), por que nos van a permitir capturar unas imágenes con una precisión equivalente a la de un GPS, de manera que no hará falta georreferenciar datos a posteriori.

Por el lado contrario, los drones que tan solo llevan un GPS (que son la mayoría) van a necesitar la ayuda de ciertos puntos de control tomados normalmente con GPS para luego poder georreferenciar los datos fotogramétricos con una precisión centimétrica.

Una vez se realice el procesamiento fotogramétrica de las imágenes en un software específico para ello, que podéis ver en este vídeo, de los outputs que tendremos una vez proceso, los que más nos interesan son:

  • la nube de puntos
  • el MDT

Si nos da como producto un MDT, entonces para que ——- este post

Como ya he comentado anteriormente, por fotogrametría con dron drones no podemos llegar a obtener un MDT, obtenemos un MDS. Todo lo que no sea suelo y que se pueda ver desde las imágenes no nos servirá.

Pregunta del millón: entonces el MDT de los software fotogramétricos por qué, cómo lo hacen, son válidos? Veamos.

Un MDT obtenido mediante dron puede llegar a ser útil, por supuesto. Sin embargo hay que tener ciertas consideraciones antes de utilizarlos. El primer paso es saber cómo los reconstruyen. Pongamos de ejemplo a Pix4D. Pix4D aplica un algoritmo de “suavizado” que aplica a los puntos que han sido clasificados como suelo y carreteras, ¿qué quiere decir esto?, que si Pix4D no ha hecho bien la clasificación automática de puntos..

Te animo a que pruebes Pix4D y la clasificación automática :), en fin, que hay que corregir la nube de puntos manualmente asignando los puntos que son suelo y los que no lo son, para que a la hora de que el software genere el MDT, tengamos la certeza de que los puntos clasificados como terreno, lo son. (Ojo, no estoy diciendo que la clasificación automética sea mala, al contrario, me parece una pasada. Peeeero, imagino que es un algoritmo que irán entrenando poco a poco).

Llegados a este punto deberíamos hacernos otra pregunta, aún habiendo utilizados los puntos de suelo para generar el MDT, ¿está teniendo en cuenta los quiebros del terreno? Veamos un ejemplo de una comparación entre el MDT obtenido con un vuelo hecho con Anafi y un vuelo LiDAR del PNOA.

Cómo trabajar un nube de puntos obtenida con dron para la creación de un MDT de calidad

Este proceso es el que estoy intentando conseguir, no digo que sea el mejor ni el que haya que seguir.

  • En primer lugar hay que limpiar la nube de puntos. Para ello se podrían seguir 3 caminos:
  • limpieza manual
  • Clasificación manual de la nube + clasificación automática
  • herramienta de filtrado automático de la nube: filtros de suelo

  • En segundo lugar habría que obtener las líneas de quiebro, tal y como se realiza por topografía clásica
  • a mano
  • hay alguna herramienta automática?

  • En tercer lugar nos queda procesar el MDT Qué interpolación nos va a permitir procesar un MDT que tenga en consideración los quiebros del terreno: TIN

  • Cuarto lugar: curvas de nivel

Links utilizados:

  • https://desktop.arcgis.com/es/arcmap/latest/extensions/3d-analyst/breaklines-in-surface-modeling.htm
  • https://www.qgistutorials.com/en/docs/interpolating_point_data.html
  • https://desktop.arcgis.com/es/arcmap/10.3/manage-data/tin/fundamentals-of-creating-tins.htm
  • https://docs.qgis.org/testing/en/docs/user_manual/processing_algs/qgis/interpolation.html#qgistininterpolation
  • https://github.com/pierotofy/lidar2dems