LiDAR VS. Fotogrametría para levantamientos con drones
El levantamiento con drones se ha vuelto cada vez más popular en los últimos años.
La cartografía aérea con aeronaves no tripuladas está ayudando a los equipos a recopilar valiosa información aérea de forma rápida, eficiente, segura y a un precio asequible, contribuyendo al mismo tiempo a configurar el proceso de toma de decisiones, mejorar la comunicación e impulsar los ingresos y los resultados.
A medida que la tendencia de los drones para topografía se acelera, surge una pregunta regularmente: ¿cuál es el mejor método de recopilación de datos: LiDAR o fotogrametría?
El reciente lanzamiento de los dispositivos de mapeo L1 y P1 de DJI muestra el creciente interés y la demanda por estas dos prácticas de cartografía aérea; el L1 (abajo, a la derecha) es un sensor LiDAR (con capacidades de fotogrametría), mientras que el P1 (abajo, a la izquierda) es un dispositivo de fotogrametría dedicado con un sensor full frame de 45 MP de alta resolución.
Parece pertinente, por tanto, comparar estos dos métodos de cartografía aérea. ¿Cuáles son? ¿Cuáles son sus ventajas y desventajas? ¿Cuándo deberías usarlos? ¿Y es uno mejor que el otro?
¿Qué es LiDAR?
LiDAR significa detección y alcance de luz (Light Detection and Ranging).
Entonces, ¿cómo funciona LiDAR? LiDAR, también conocido como escaneo láser 3D, funciona enviando pulsos de luz a la superficie terrestre o a un elemento sobre ella y midiendo el tiempo necesario para reflejarse.
El tiempo necesario para volver a la fuente LiDAR indica la distancia exacta del objeto o característica. Esto se conoce como principio de tiempo de vuelo (ToF).
Esto proporciona una posición precisa del punto donde el láser golpeó la superficie terrestre. Dependiendo del sensor utilizado, las unidades LiDAR pueden emitir cientos de miles de pulsos por segundo, ayudando a crear una visualización detallada de aquello en lo que se está centrando el sensor.
Esto puede utilizarse luego para crear nubes de puntos 3D; una visualización precisa que representa el terreno, la topografía y las características del área escaneada.
La imagen de arriba –del Bacton Gas Terminal de Shell, capturada con L1– muestra una nube de puntos LiDAR.
El dron LiDAR ha surgido como una útil herramienta de levantamiento aéreo para muchas aplicaciones, como la silvicultura, la agricultura y la construcción.
¿Qué es la fotogrametría?
La fotogrametría es el arte de capturar fotografías de alta resolución para recrear un área de levantamiento.
Estas imágenes se procesan y combinan utilizando un software sofisticado para crear modelos 3D realistas, georreferenciados y medibles del mundo real.
Dependiendo del software, estos gemelos digitales pueden ser completamente navegables, ayudando a los equipos a acceder y asimilar la información clave de forma rápida y sencilla.
La fotogrametría también puede utilizarse para crear mapas 2D detallados. Estos conjuntos de datos ortomosaicos proporcionan representaciones fotográficas precisas de un área, con información georreferenciada.
Para ilustrar esto, la primera imagen es un ortomosaico 2D de una granja, mientras que la segunda es un modelo 3D del sitio, ambos capturados con la cámara fotogramétrica P1.
El número de imágenes necesarias para obtener valiosos conjuntos de datos de fotogrametría varía de cientos a miles, dependiendo del tamaño del sitio y de la precisión deseada.
Los casos de uso de la fotogrametría son amplios, incluyendo gestión de proyectos, mapeo de escenas del crimen, marketing, ejecución de cálculos y mediciones de existencias, cartografía topográfica y levantamientos de edificios.
LiDAR vs. fotogrametría – Pros y contras
Como todo, LiDAR y la fotogrametría tienen sus lados positivos y negativos.
Estos factores, junto con el resumen de la misión, podrían determinar la preferencia por cualquiera de las aplicaciones.
Versatilidad de la misión
Una de las principales ventajas de utilizar LiDAR frente a la fotogrametría es el rendimiento mejorado durante determinadas misiones.
Por ejemplo, LiDAR es más eficaz, y por tanto más preciso, en áreas de levantamiento con elevada cobertura vegetal.
¿Por qué? Porque los pulsos LiDAR son capaces de penetrar en los espacios entre hojas y ramas para llegar al nivel del suelo.
Por el contrario, en la fotogrametría tradicional, la vegetación puede impedirte capturar una representación precisa de cómo se ve la topografía del suelo.
Por este motivo, LiDAR es una solución más precisa que la fotogrametría para la construcción de un modelo digital del terreno (DTM); un modelo del terreno desnudo (sin objetos/edificios en él) que contiene los datos de elevación del suelo.
Este conjunto de datos, compartido con heliguy™ por Ben Bishop, director técnico de Flythru Limited, muestra las diferencias entre LiDAR y fotogrametría para la captura de los niveles del suelo para la generación del DTM.
Considerando la densidad de la vegetación en este ejemplo, la fotogrametría (azul) hizo un buen trabajo, pero el gráfico muestra la ventaja del LiDAR (rosa) en esta situación.
Nótese, por ejemplo, la gruesa línea rosa (y la ausencia de azul) en el terreno en las áreas directamente bajo los árboles, demostrando cómo los pulsos LiDAR pueden golpear el suelo en áreas de alta vegetación, a diferencia de la fotogrametría.
Esto es diferente a un Modelo Digital de Superficie (DSM) que representa la superficie terrestre e incluye todos los objetos sobre ella. Tanto LiDAR como la fotogrametría son buenas soluciones para la creación de DSM.
Una estadística afirma que LiDAR puede penetrar en áreas con hasta un 90% de vegetación, mientras que la fotogrametría está más cerca del 60%.
Es por este motivo que LiDAR se ha convertido en uno de los favoritos de los profesionales de la silvicultura.
No solo LiDAR es más eficaz en áreas de alta vegetación, sino que también es más adecuado para misiones realizadas en condiciones de baja iluminación, o incluso de noche, sin necesidad de una fuente de luz externa.
Por el contrario, los resultados de un vuelo con dron fotogramétrico pueden verse gravemente afectados por la baja iluminación, el polvo o la cobertura nubosa.
Gracias al muestreo de puntos de alta densidad y a la naturaleza de medición directa de LiDAR, también es más eficaz para medir y capturar objetos pequeños/estrechos, como cables de alimentación, tuberías y elementos con bordes afilados.
Esto queda demostrado en estos dos conjuntos de datos. Las líneas eléctricas son visibles en el centro de la imagen a la izquierda –capturada con el sensor L1 LiDAR– pero no son visibles en el ortomosaico 2D de la misma escena, capturada con el sensor de fotogrametría P1.
Por este motivo, LiDAR también puede utilizarse para recopilar mediciones complejas entre cables y árboles, como muestra la imagen de abajo, como lo demostró Keltbray en este caso de estudio.
Facilidad de uso
La accesibilidad es una de las mayores diferencias entre LiDAR y la fotogrametría.
LiDAR es bastante complejo y requiere un alto nivel de comprensión, lo que puede ampliar el margen de error y aumentar la demanda de un profesional experimentado.
Sin embargo, el DJI L1 está ayudando a cerrar esta brecha simplificando los flujos de trabajo LiDAR y haciéndolos más accesibles a más personas.
Dicho esto, en general, la fotogrametría es un método de levantamiento más sencillo.
Sí, hay cosas en las que pensar, por ejemplo, qué altura de vuelo proporcionará la mejor distancia de muestra en el suelo (más que la de corto alcance) y qué tasa de superposición de imágenes es necesaria para garantizar el modelo más preciso.
Pero, en general, los avances en la fotogrametría con drones han permitido flujos de trabajo simplificados, contribuyendo a llevar mapas y modelos precisos al alcance de cualquier organización con un dron con cámara decente.
Conjunto de datos
La diferencia entre los conjuntos de datos LiDAR y fotogrametría es abismal.
Un conjunto de datos LiDAR está compuesto por miles de puntos –o retornos– para crear una nube de puntos 3D detallada que delinea el terreno y la elevación.
Por este motivo, un conjunto de datos LiDAR no siempre crea una imagen agradable y puede requerir un alto nivel de habilidad para su interpretación. Y a veces, cuando se trata de superficies y características detalladas, LiDAR puede ser no específico, lo que significa que puedes estar inseguro de lo que estás viendo realmente.
Dicho esto, puedes obtener un modelo visualmente más accesible utilizando el color de conjuntos de datos separados.
Además, algunos sistemas LiDAR, incluido el L1, tienen funciones de fotogrametría para ayudar a añadir más detalles a una nube de puntos y ayudar con la referencia cruzada. De hecho, los operadores del L1 se benefician de su capacidad para generar modelos de nubes de puntos en color real en tiempo real.
Pero olvídate de la estética por un minuto: las personas que pueden interpretar un conjunto de datos LiDAR conocerán su verdadero valor para determinadas aplicaciones.
Por el contrario, la fotogrametría crea modelos basados en cientos o miles de imágenes del mundo real que se unen entre sí.
Por este motivo, un mapa 2D o un modelo 3D creado a través de esta técnica de levantamiento es inmediatamente reconocible y comprensible, ayudando a los equipos a acceder, compartir y comprender los gemelos digitales de forma rápida y sencilla.
Dado que la fotogrametría implica imágenes de alta resolución, es capaz de capturar los detalles visuales de cada característica de un sitio y, a diferencia de algunas nubes de puntos LiDAR, extrae lo abstracto de un conjunto de datos.
Por ejemplo, estas dos imágenes de edificios en el centro de Henderson, tomadas por el departamento de ingeniería de la ciudad de Henderson, muestran las diferencias entre los conjuntos de datos LiDAR (imagen superior) y fotogrametría (imagen inferior). Puedes leer el caso de estudio completo, aquí.
Por estas razones –y por el hecho de que un levantamiento con dron puede adquirir datos repetibles– la fotogrametría se ha convertido en una herramienta crucial para visualizaciones aéreas, el seguimiento de cambios y el monitoreo del progreso en una obra de construcción, por ejemplo.
Costo
LiDAR utiliza láseres, mientras que la fotogrametría se basa en imágenes recopiladas por una cámara.
Y tradicionalmente, los sensores LiDAR eran grandes, por lo que se requería un avión más grande.
Por tanto, la fotogrametría pasó a conocerse como una solución más asequible en comparación con LiDAR.
Sin embargo, esta brecha se está reduciendo. Tomemos como ejemplo la carga útil L1 LiDAR de DJI, que representa una solución más económica y compacta que otros sensores LiDAR del mercado.
Y con la innovación continua, existen todas las posibilidades de que LiDAR continúe volviéndose más accesible (en términos de precio y aplicación).
LiDAR vs. Fotogrametría: ¿cuál es la más precisa?
Cuando se trata de levantamientos, una de las consideraciones más importantes es la precisión.
Si se realizan correctamente, LiDAR y la fotogrametría son métodos fiables y precisos.
Pero, antes de profundizar, aquí está la definición de dos términos que son parte integrante de esta sección:
- Precisión relativa (vertical): la precisión relativa se refiere a la exactitud de los puntos de datos de un conjunto de datos entre sí. Si la distancia entre el punto A y el punto B es de 62,128 m en el terreno, con una precisión relativa general de +/- 20 mm, esperarías que la distancia del modelo esté comprendida entre 62,126 m y 62,130 m. Los datos con precisión relativa SE recopilarán con referencia a un sistema de referencia de coordenadas, pero no con una alta precisión.
- Precisión absoluta (vertical): la precisión absoluta se refiere a la exactitud del conjunto de datos en relación con un sistema de coordenadas o datum. Por ejemplo, con una precisión absoluta de 20 mm, habría un margen de error de 40 mm (20 mm en cada dirección).
Precisión LiDAR del dron
Cuando la precisión es fundamental, LiDAR es una solución extremadamente fiable.
Recuerda, LiDAR funciona impactando la superficie terrestre, o una característica en ella, disparando pulsos láser desde arriba y midiendo el reflejo. Por lo tanto, representa una medida directa.
Esto, junto con su integración con los datos GNSS, ayuda a dotar a tu mapa digital del terreno de altos niveles de precisión vertical.
LiDAR es también una solución ideal para obtener una precisión absoluta, sobre todo si la intención es crear un modelo realista de terreno desnudo, gracias a su capacidad para tener en cuenta la elevación y la vegetación.
De hecho, gracias a la alta densidad de puntos de datos de LiDAR (con sensores que emiten cientos de puntos por metro cuadrado), los topógrafos pueden crear un conjunto de datos verdaderamente robusto.
Como nota al margen, al examinar diferentes soluciones LiDAR, la frecuencia de los pulsos láser es una especificación clave. Una frecuencia de pulso más alta recopila más mediciones por segundo, creando modelos más detallados y reduciendo el número de vuelos necesarios para cubrir un área específica.
Pero LiDAR es un sistema complejo y muchos factores determinan la precisión.
No se trata solo del sensor LiDAR: otros sistemas de alta precisión como el posicionamiento por satélite (datos GNSS) y una unidad de medición inercial (IMU) deben ser de alta calidad para construir una nube de puntos precisa que refleje fielmente el área de levantamiento, su terreno, topografía y características.
Pero, en general, LiDAR tiende a producir escaneos con mayores detalles y exactitud que la fotogrametría.
Precisión de la fotogrametría con dron
Sin embargo, esto no significa que la fotogrametría no sea una solución de levantamiento precisa.
Al contrario. De hecho, algunas soluciones de drones pueden proporcionar precisiones a nivel de centímetro.
Pero hay algunos factores importantes a considerar que pueden influir en la precisión.
Por ejemplo, la calidad del dron y de la cámara.
El tamaño del sensor, su resolución y la distancia focal influyen en la distancia de muestreo del suelo (GSD) y en la altitud de vuelo requerida.
Para que conste, el GSD se define como la longitud (en pulgadas, centímetros o milímetros) entre los centros de dos píxeles consecutivos en el mapa.
Por tanto, si un dron alcanza un GSD de 5 cm/px, eso equivale a que un píxel en el mapa digital corresponde a 5 cm en la realidad.
Cuanto más pequeño es el GSD, mayor es la precisión. Tomemos como ejemplo las imágenes de abajo: El ortomosaico con un GSD de 5 cm (a la izquierda) es mucho más detallado que el de la derecha con un GSD de 30 cm. Esto se debe a que cuanto mayor es el valor del GSD de la imagen, menor es la resolución espacial de la misma y menos visibles son los detalles.
¿Cuándo es mejor usar LiDAR con dron?
LiDAR puede ser una herramienta clave en el arsenal de un topógrafo.
Aunque se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones, existen quizás tipos de misión específicos en los que resulta realmente único.
Estos incluyen:
Mapeo de terrenos complejos con cobertura vegetal
En condiciones de poca luz o durante la noche
Cuando es necesario detectar objetos pequeños/estrechos como cables o tuberías, que podrían no ser detectados o reconocidos con métodos alternativos.
LiDAR es también un método eficaz cuando la precisión es particularmente crucial y para proyectos en los que la exactitud es una prioridad.
¿Cuándo es mejor usar la fotogrametría con dron?
Cada vez más empresas, organizaciones y departamentos en una gama creciente de sectores verticales están adoptando la fotogrametría con drones.
Y hay algunos escenarios que se adaptan perfectamente a esta técnica de levantamiento aéreo. Estos incluyen:
Conjuntos de datos que requieren una evaluación visual
Proyectos que requieren mapas y modelos fáciles de entender
Escaneos ricos en contexto que son accesibles y requieren un mínimo de experiencia y posprocesamiento.
Un mapa 2D o un modelo 3D puede ser valioso para monitorear el progreso en una obra, mejorar la comunicación entre los equipos y las partes interesadas, la planificación y gestión de la ciudad, y verificar la presencia de errores/daños.
LiDAR con dron y fotogrametría: ¿qué soluciones hay disponibles?
En el ecosistema DJI hay numerosas soluciones disponibles para ayudar a recopilar datos LiDAR y de fotogrametría.
Haz clic para obtener más información sobre los drones LiDAR y los escáneres LiDAR.
LiDAR con dron
La plataforma comercial insignia de DJI, el M300 RTK, puede utilizarse como dron LiDAR gracias al lanzamiento del sensor Zenmuse L1.
El L1 integra un módulo Lidar, una cámara RGB de 20 MP y una IMU de alta precisión.
Sus características principales incluyen:
- Altamente eficiente, puede cubrir hasta 2 km² en un solo vuelo
- Grado de protección contra la intemperie IP54
- Soporta tres retornos
- Tasa de puntos de 240.000 puntos/s
- Precisión vertical de 5 cm / Precisión horizontal de 10 cm
- Campo de detección de 450 m
- LiveView de nube de puntos
El M300 RTK y el L1 también pueden utilizarse en combinación con la plataforma de software de cartografía de DJI, DJI Terra. Esto permite a los topógrafos acceder a datos 3D, detalles de estructuras complejas y reconstrucciones visuales precisas. Terra también es altamente eficiente a la hora de procesar datos LiDAR del L1.
Fotogrametría con Dron
M300 RTK y Zenmuse P1
El M300 RTK puede integrarse con la cámara Zenmuse P1. Esta carga útil cuenta con un sensor de fotograma completo de 45 MP, lo que la convierte en una solución altamente capaz para la fotogrametría.
Otras características clave incluyen:
- Capaz de alcanzar una precisión de 3 cm en horizontal y 5 cm en vertical, sin GCP
- Altamente eficiente, cubre 3 km² en un solo vuelo
- Gimbal estabilizado de 3 ejes con Smart Oblique Capture, ideal para grandes sitios de levantamiento
- Obturador mecánico global con una velocidad de obturación de 1/2000 segundos
- TimeSync 2.0, que permite la sincronización a nivel de microsegundos
- Objetivos intercambiables de enfoque fijo (24/35/50 mm)
- Una actualización también permitió utilizar la P1 en combinación con la solución de cartografía de DJI, Terra.
Phantom 4 RTK
El Phantom 4 RTK es la solución de cartografía de baja altitud de DJI. Es particularmente adecuado para áreas de levantamiento pequeñas, pero, gracias a su accesibilidad, ofrece una buena introducción para aquellos que son nuevos en el levantamiento con drones.
Sus características principales incluyen:
- Módulo RTK
- Sensor CMOS de 20 MP y 1″
- El obturador mecánico reduce el riesgo de desenfoque del obturador rotativo
- Sistema TimeSync, que alinea el controlador de vuelo, la cámara y el módulo RTK
- LiDAR vs. Fotogrametría: ¿cuál es mejor?
- Hay una buena razón por la que el LiDAR y la fotogrametría se han convertido en populares técnicas de levantamiento con drones: pueden capturar datos de calidad y proporcionar información valiosa.
Pero, ¿cuál es mejor?
En verdad, es una pregunta difícil de responder, porque ambos tienen sus valores.
En muchos aspectos, se reduce al trabajo que se tiene entre manos.
El LiDAR es extremadamente potente para misiones específicas, como proyectos desafiantes donde la precisión de la elevación, estructuras complejas o áreas que involucran una vegetación alta son fundamentales.
Gracias a la innovación, como la nueva carga útil L1 de DJI, el LiDAR se está volviendo cada vez más accesible y asequible, pero sigue siendo el hecho de que se trata de una técnica de levantamiento altamente especializada.
Por lo tanto, para necesidades de levantamiento más amplias, la fotogrametría será más que adecuada: generalmente es más económica, más accesible y, si se realiza correctamente, es lo suficientemente precisa como para satisfacer la mayoría de las necesidades.
Y para los equipos que necesitan un recurso digital altamente visual, la fotogrametría con dron es un potente método de levantamiento aéreo.
Pero, independientemente de tu técnica preferida, la innovación en ambos campos es emocionante; un hecho ejemplificado por los nuevos sensores L1 y P1 de DJI.
El crecimiento continuo en estas áreas solo mejorará la capacidad de los peritos aéreos para adquirir mapas y modelos altamente detallados y precisos, de manera más rápida, segura y económica que antes.
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