Sistema de posicionamiento PPK para levantamiento fotogramétrico con drones

Drones

1. INTRODUCCIÓN

1.1. PLANTEAMIENTO INICIAL

En la actualidad los drones nos permiten elaborar nuestra propia cartografía de una forma rápida y fiable, con un coste inferior a los sistemas tradicionales de topografía clásica. Constituyendo un sistema eficaz y rápido para la toma masiva de datos, generados a través del correspondiente proceso de levantamiento fotogramétrico. Para georreferenciar los datos obtenidos y garantizar la calidad métrica de los mismos es necesario emplear varios puntos de apoyo con coordenadas conocidas y precisión centimétrica (la precisión debe ser adecuada al tamaño del GSD del vuelo y en el caso de los drones cuya altura máxima esta limitada, será siempre, con toda probabilidad, centimétrica). Ya que hasta hace pocos años, los drones incorporaban uno, o varios, GPS, con precisión superior a los 3 m en el mejor de los casos.
En la actualidad existen nuevos instrumentos GPS, muy ligeros y de bajo coste, que pueden ser empleados para el geoetiquetado de las fotografías obtenidas con el dron. Empleando las mismas para la obtención de ortofotos y modelos tridimensionales del terreno de gran precisión, reduciendo el número de puntos de apoyo a emplear e incluso llegando a eliminarlos. Lo que conlleva un importante ahorro de tiempo en el trabajo de campo y en el trabajo de gabinete, al no tener que marcar tantos puntos de apoyo, pudiendo utilizarlos como puntos de comprobación (“check points”) que nos garanticen la precisión métrica del producto obtenido. Este ahorro de tiempo se traducirá en un importante ahorro económico, al reducir las horas de trabajo de campo y oficina.
Se espera aumentar la precisión de la posición absoluta (georreferenciación) de los resultados obtenidos, desde los más de 2 ó 3 metros actuales sin el empleo de puntos control en tierra, a pocos centímetros, obteniendo así datos más precisos en menor tiempo y con menor coste.

1.2. OBJETIVO

El proyecto consiste en un caso práctico de un levantamiento fotogramétrico, realizado con un dron DJI Phantom4 Advanced, con un sistema PPK instalado a bordo, con el objetivo de aumentar la precisión de los datos obtenidos, mediante el geoetiquetado preciso de las imágenes obtenidas. Obteniendo las coordenadas X,Y,Z del registro de datos post procesado. El coste del sistema completo PPK es de unos 1300€.
En la actualidad existen drones comerciales con el sistema PPK integrado, pero se caracterizan por tener un elevado coste. El último sistema en aparecer es el dron Phantom 4 RTK, con un coste aproximado de unos 7.800 €, sin el software de procesado fotogramétrico y procesamiento de datos. Siendo aún necesarios puntos de apoyo en tierra para una precisión óptima.
La parte más crítica del proceso PPK es la captura con precisión del momento de disparo de la cámara en el tiempo. Dado que siempre hay retrasos entre el disparo de la cámara y el momento real en que se toma la foto. En los drones que incorporan cámaras con zapata de flash esto se resuelve de forma precisa conectando el GPS al obturador de la cámara a través de esta zapata, capturando cada foto con una precisión de menos de un microsegundo. Pero en mi caso he querido comprobar cuál es la precisión alcanzable con un dron comercial que no incorpora una cámara con zapata de flash, emplearé un sensor fotoeléctrico conectado a uno de los brazos del dron, que recogerá el momento de toma de la imagen al apagar este la luz led del brazo en el momento de la captura de la imagen, conectando el sensor directamente al GPS Reach, geoetiquetando así la fotografía de forma precisa.
Obtendremos así las coordenadas precisas (X,Y,Z sistema UTM ETRS89 Huso 30) de los centros perspectivos de las imágenes, a través del post procesamiento PPK realizado de los registros de los GPS Base y Rover. Comprobando así tras realizar la restitución del vuelo mediante el software Pix4D, la calidad de las coordenadas obtenidas, introduciendo los puntos de apoyo del terreno como puntos de control de calidad.
Con este trabajo se pretende acercar al consumidor un producto fiable, preciso y de bajo coste que permita generar ortofotos y modelos digitales del terreno de precisión.

2. CONCEPTOS PREVIOS

2.1. FOTOGRAMETRIA

Definimos la fotogrametría, según Bonneval como “la técnica cuyo objeto es estudiar y definir con precisión la forma, dimensiones y posición en el espacio de un objeto cualquiera, utilizando esencialmente medidas hechas sobre una o varias fotografías de ese objeto”. Una definición más actualizada que nos da la Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección (ASPRS) es “el arte, ciencia y tecnología para la obtención de medidas fiables de objetos físicos y su entorno, a través de grabación, medida e interpretación de imágenes y patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos”. Esta última definición es más amplia, abarcando técnicas modernas, y eliminando casi las diferencias existentes entre la Fotogrametría y la Teledetección.
La restitución fotogramétrica es el método indirecto empleado en la reconstrucción del relieve terrestre o de otros objetos, por medio de la fotografía aérea. Consiste el mismo en utilizar un par de imágenes solapadas de la zona a estudiar, examinando el par estereoscópico de ambas, extrayendo datos e información precisa a partir de esos pares. Dependiendo del tipo de fotografía utilizada, la fotogrametría se divide en:

  • Fotogrametría terrestre
  • Fotogrametría aérea
  • Fotogrametría espacial

En nuestro caso emplearemos la fotogrametría aérea mediante fotografías tomadas con un dron. La fotogrametría se puede clasificar según los métodos utilizados en:

  • Fotogrametría analógica
  • Fotogrametría analítica
  • Fotogrametría digital

Debido a los avances de las técnicas informáticas, la fotogrametría digital es la más utlizada en la actualidad, ya que permite realizar todos los procesos fotogramétricos con un ordenador, simplificando el proceso.
La fotogrametría presenta grandes ventajas frente a las técnicas tradicionales de levantamiento. El tiempo de trabajo es reducido y se obtienen gran cantidad de datos de forma indirecta. Además, las fotografías permiten obtener planos precisos y aportan información visual de todo el conjunto.

2.1.1. CONCEPTOS BÁSICOS EN FOTOGRAMETRÍA

Punto de apoyo: Un punto de apoyo (PA) es un punto de coordenadas XYZ, XY o Z conocidas que se utiliza para hacer una orientación externa. Los (PA) antiguamente se obtenían con teodolitos por medio de un proceso llamado triangulación, hoy son obtenidos con GPS. Los puntos de apoyo suelen ser 5 o más, distribuidos principalmente por los bordes (planimetría) y por el centro (altimetría), de la imagen global a obtener. Si deseamos incrementar la exactitud de todo el bloque densificaremos el control terrestre a lo largo de los extremos del mismo. Los puntos de control en el interior del bloque no mejoran significativamente la exactitud (F. Ackermann – Structural Changes in Photogrammetry).

Los puntos de apoyo son necesarios en la fase de orientación absoluta, donde se necesitan conocer las coordenadas terreno de al menos cinco puntos que sean identificables en la fotografía (ASPRS: American Society for Photogrammetry and Remote Sensing), los cuales nos servirán para orientar y escalar el modelo y poder obtener coordenadas terreno del resto de los puntos (restitución). Los puntos han de estar bien distribuidos por el modelo. La idea general es que la precisión de la aerotriangulación está condicionada por los puntos de apoyo distribuidos por el borde del bloque, mientras que los puntos interiores tienen una incidencia muy pequeña en la planimetría, pero si influyen en la altimetría. Los puntos de apoyo empleados deberán tener una precisión tres veces mejor que la precisión de la aerotriangulación a conseguir (ASPRS).

Punto de control: El punto de control (PC o GCP) es un punto con coordenadas XYZ, XY o Z conocidas que se utiliza para hacer un control de error del modelo estereoscópico generado.

Orientación interna: La orientación interna consiste en reconstrucción de los haces de rayos de características homólogas a las imperantes en la cámara fotográfica que originó esas imágenes. En otras palabras, mediante la orientación interna se trata de reconstruir los haces de rayos.

Orientación externa: La orientación externa describe la orientación y posición del sensor fotográfico en el momento de captura en el espacio. Se efectúa mediante dos procesos, mutuamente dependientes en algunos casos. Por ello en la práctica son reiterativos. Constituyen dos subtipos de orientaciones:

• Relativa: Procedimiento mediante el cual se trata de obtener la intersección de los pares de rayos homólogos. Así se forma el modelo tridimensional (en el espacio).

• Absoluta: Mediante la cual se trata de aportar al modelo una escala adecuada, ubicarlo planimétricamente en la posición que le corresponde y nivelarlo, para determinar su ubicación altimétrica con respecto a un plano de referencia. Es decir, el proceso de nivelar, dar escala y ubicación planimétrica al modelo.

Ortofoto: Es un producto cartográfico resultante del tratamiento digital de fotografías aéreas, mediante el cual se corrigen las deformaciones debidas al relieve del terreno, falta de verticalidad de la toma fotográfica y distorsiones propias del objetivo de la cámara empleada, y se le otorga un rigor geométrico equivalente a un mapa.

GSD: Ground Sampling Distance, es la distancia entre dos centros de píxeles consecutivos medidos en el suelo. Cuanto mayor sea el del valor de GSD de la imagen, menor será la resolución espacial de la imagen y los detalles menos visibles.

Por ejemplo, un valor GSD= 1.2 cm, quiere decir que cada pixel de nuestra fotografía tomada mide 1.2 cm del terreno, ó 1.44 cm2.

MDT: Conjunto de capas (generalmente raster) que representan distintas características de la superficie terrestre derivadas de una capa de elevaciones a la que se denomina Modelo Digital de Elevaciones (MDE).

MDE: Estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de la altitud de la superficie del terreno.

Georreferenciación: Técnica de posicionamiento espacial de una entidad en una localización geográfica única y bien definida en un sistema de coordenadas y datum específicos.

2.1.2. CONCEPTOS BÁSICOS EN SISTEMAS DE NAVEGACIÓN GLOBAL POR SATÉLITE.

GNSS: Conjunto de sistemas de navegación por satélite, como son el GPS, GLONASS, Galileo, etc. Es decir, los sistemas que son capaces de dotar en cualquier punto y momento de posicionamiento espacial y temporal.

GPS: Global Positioning System. El NAVSTAR GPS, nombre original del Proyecto, es un sistema de posicionamiento global desarrollado por los EEUU. Se inicio en 1973 y en la actualidad cuenta con 30 satélites.

GLONASS: Global Navigation Satellite System. Sistema de posicionamiento global desarrollado por Rusia, cuyo inicio se produjo en 1968. Inicialmente formado por una constelación de 24 satélites, en la actualidad hay 16, 10 operativos y 6 apagados de forma temporal.

GALILEO: Sistema europeo de navegación. Constará de 30 satélites, 3 de ellos de repuesto.

UTC: El tiempo universal coordinado es el principal estándar de tiempo por el cual el mundo regula los relojes y el tiempo. Esta es la hora local en el Meridiano Primario (longitud= 0o) dada en horas y minutos en el reloj de 24 horas. Se utilizan dos componentes para determinar el UTC:

  • Tiempo atómico internacional (TAI): Escala de tiempo que combina la salida de unos 400 relojes atómicos de alta precisión en todo el mundo.

  • Tiempo universal (UT 1): También conocido como tiempo astronómico o tiempo solar, se refiere a la rotación de la Tierra. Se utiliza para comparar el ritmo proporcionado por TAI con la duración real de un día en la Tierra.

RGAPA: Servicio GNSS de posicionamiento autonómico (Red GNSS Activa del Principado de Asturias). Está compuesta por 10 estaciones de referencia GNSS, controladas por el Servicio de Cartografía del Principado de Asturias.

Frecuencias de transmisión (L1,L2,L5): La constelación GPS transmite en tres frecuencias diferentes de la banda L de radiofrecuencia: L1, L2 y L5. En función del receptor GPS este podrá recibir una señal (L1), dos (L1 y L2) o las tres.

L1: (1575.42 MHz) Esta portadora proporciona el código de adquisición aproximada ,los códigos de cifrado de precisión P, la señal L1C y códigos militares.

L2: (1227.60 MHz) Transporta el código P, señal L2C y códigos militares.

L3: (1176.45 MHz) Transporta dos códigos civiles: L5 y Q5.

2.1.3. PROCESADO

En nuestro proceso de trabajo contaremos con fotografías, puntos de apoyo y puntos de control. Las fotografías se someterán a un proceso de orientación interna. A continuación, mediante los puntos de apoyo se realiza la orientación externa, una generación automática de modelos digitales de elevaciones (MDE) y una ortofoto. Finalmente se realiza el control de error. Por medio de este proceso se obtienen el resultado final, la estadística de error y la fiabilidad.

2.2. DRONES
Se denomina dron a un vehículo aéreo no tripulado, VANT. También son conocidos como UAV, del inglés Unmanned Aerial Vehicle o RPA del inglés Remotely Piloted Aircraft, término utilizado también por la legislación española, heredado a su vez de la europea. Su diseño tiene una amplia variedad de formas, tamaños, configuraciones y características. Disponen de varios motores para su movimiento, 3, 4, 6 u 8 motores. Siendo también clasificados atendiendo al número de motores que tiene cada uno: Tricóptero, cuadricóptero, hexacóptero y octocóptero respectivamente.

Cuadricóptero

Octocóptero

Para que un multicóptero pueda volar y moverse, es necesario que la mitad de sus hélices se muevan en sentido horario y el resto en sentido antihorario. Haciendo uso de variadores de velocidad electrónicos en los motores para poder adaptar las revoluciones a las que gira cada motor y así poder hacer giros, elevaciones y rotaciones.

Una aeronave posee 3 movimientos (Fig. 3) además de ascender y descender. Estos movimientos son cabeceo (pitch), alabeo (roll) y giñada (yaw). Cada uno de los movimientos se consigue actuando más sobre unos motores que sobre el resto.

Esquema de movimientos

Los RPA permiten realizar vuelos a menor cota que las aeronaves civiles empleadas para los levantamientos del terreno, aumentando así la resolución a obtener en el modelo final, pues disminuye el GSD. Los costes operativos de los drones son mucho menores comparados con el uso de grandes aeronaves tripuladas.

El RPA empleado en este trabajo será un cuadricóptero de la casa DJI modelo Phantom 4 Advanced, con las siguientes características:
Su peso es de 1368 g, con una velocidad máxima de vuelo de 16 m/s y una autonomía de unos 28 minutos. Es capaz de capturar video 4K y transmitir señal de video HD.

La cámara integrada tiene un estabilizador integrado de 3 ejes que la mantiene nivelada en cualquier situación, y un sensor Sony 1” CMOS con 20.0 M.

La lente tiene un FOV 84o 24 mm (35 mm formato equivalente) f 2.8. Rango ISO automático de 100-3200 y una velocidad del obturador electrónico de 8 s – 1/8000 s. Dispone de sistemas GNSS multiconstelación (NAVSTAR Y GLONASS) que hacen posible que se mueva con precisión y rastrear su localización en vivo en el mapa, grabar su punto de despegue y poder llamarlo de vuelta en cualquier momento con un solo toque de pantalla. Dispone de un registro automático de vuelo, que registra los detalles de cada vuelo: La ruta completa, el tiempo, distancia y localización, así como una versión caché de las fotos y videos tomados durante el vuelo.

Dispone de una IMU (unidad de medición inercial) constantemente en funcionamiento que detecta los más mínimos cambios y los compensa automáticamente. En su interior un giroscopio y un acelerómetro recogen y transmiten hasta el más mínimo cambio en la inclinación y el movimiento.

Los controladores de velocidad electrónicos, ESCs, controlan independientemente cada motor transmitiendo información vital sobre la velocidad del motor a la controladora de vuelo y enviando comandos a los motores basados en las órdenes que le demos.

El mando de control remoto tiene 5 km de alcance y dispone de botones personalizables:

En la siguiente imagen muestro una lista completa de los elementos que lo componen (extraídos de la Guía de inicio rápido del Phantom4 Advanced de DJI):

2.3. GNSS: SISTEMAS MUNDIALES DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE

Se denomina GNSS (Global Navigation Satellite System), de forma genérica a los Sistemas de Navegación por Satélites que proporcionan un marco de referencia espacio- temporal con cobertura global, de forma continua en cualquier lugar de la Tierra y permite proporcionar la posición de un objeto o persona.
El primer sistema operativo fue el sistema GPS (1993), desarrollado por el ejército de los EEUU, por ello, a pesar de desarrollarse otros sistemas, en la cultura social es un término tan extendido que se confunde con el término GNSS, que engloba además del GPS a otros sistemas de navegación por satélite como son GLONASS, GALILEO, BEIDOU, etc. Los sistemas GNSS funcionan bajo el principio de trilateración, el cual se basa en el conocimiento de las posiciones de al menos cuatro satélites y sus distancias al receptor. Las distancias a los satélites se estiman a partir del tiempo que tardan las señales en llegar al receptor, suponiendo que se desplazan a la velocidad de la luz y las posiciones de los satélites se reciben en un mensaje de navegación.

Referenncia bibliográfica: “GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE STANDARD”. ASD, 2001.

2.3.1. POSICIONAMIENTO GNSS

La determinación de coordenadas mediante un sistema GNSS se basa en la medición de la distancia entre el receptor y los satélites disponibles la cual deriva del tiempo de vuelo de la señal recibida. Este tiempo de vuelo se calcula comparando la señal recibida con una réplica interna generada por el propio receptor, esto implica el alineamiento de las escalas de tiempo de los osciladores de satélite y receptor con una escala de tiempo de referencia, por ejemplo la escala de tiempo GPS.

Todos los satélites GNSS transmiten a frecuencias derivadas de la frecuencia fundamental de 10.23 MHz, disponibles mediante relojes atómicos de a bordo.
Las señales entrantes de diferentes satélites se pueden identificar ya que las portadoras están moduladas por secuencias de ruido pseudoaleatorio diferentes para cada satélite, las cuales utilizan dos secuencias binarias para enviar los mensajes. También hay un mensaje de navegación que contiene información sobre las efemérides de los satélites, la hora del sistema (GPS, GLONASS, GALILEO, etc.), el comportamiento del reloj y los mensajes de estado de los satélites del sistema. Referencia bibliográfica: “GLONASS: Status and Perspectives”. Federal Space Agency of the Russian Federation, 2005.

Para calcular la posición de un punto de la superficie terrestre es necesario conocer las coordenadas de los satélites a los que se está observando. Existen distintas maneras de obtener las coordenadas de esos satélites.
Cuanto más precisas se requiere que sean las coordenadas de los satélites, más tiempo habrá que esperar.

En función de las necesidades de exactitud y precisión posicional se procederá a definir el tipo de observable, modo de obtención de coordenadas, técnica a emplear y el momento de la obtención de coordenadas. Muestro los diferentes tipos en la siguiente tabla:

El intervalo de precisiones planimétricas según el posicionamiento elegido será:

(Tablas extraídas de la web de la Comisión Cartográfica de Andalucia.)

Dada la variedad de precisiones en el empleo de un sistema GNSS cada proyecto/trabajo en particular conlleva el estudio del instrumental a emplear, así como de la metodología de observación.

2.3.2. RTK

RTK (Real Time Kinematic) es una técnica de posicionamiento que se realiza para estimar coordenadas de receptores estáticos o cinemáticos aplicando correcciones a partir de las observaciones de fase. Los sistemas RTK utilizan un receptor como estación base y un número determinado de unidades móviles. La estación base retransmite la fase del portador que hace mediciones, y las unidades móviles comparan sus propias medidas de fase con las que está recibiendo la estación base. Hay varias maneras de transmitir una señal corregida de la estación base a la estación móvil. La manera más popular de alcanzar una transmisión de señales en tiempo real y de bajo coste es utilizar un módem de radio, típicamente en la banda UHF. En la mayoría de los países, ciertas frecuencias se asignan específicamente para uso de RTK. Gran parte del equipo topográfico terrestre tiene un módem de banda UHF integrado como opción estándar. Hoy en día es muy popular el uso de comunicación GPRS (vía internet a través del teléfono móvil) entre la base y el rover, o bien del rover con respecto a una estación de referencia.

Para realizar un posicionamiento RTK es necesario, en la base, un intervalo de tiempo inicial para la resolución de ambigüedades, después de este, se procede a la estimación de las coordenadas a partir de las correcciones recibidas.
En el caso del uso del módem de radio, la técnica RTK se restringe a líneas de base cortas, de hasta 8 km, debido al alcance limitado del UHF, y también porque la determinación de la posición con esta técnica emplea apenas la solución de la portadora L1, aunque la portadora L2 está presente para la resolución de las ambigüedades. En nuestro caso, el GPS Reach es monofrecuencia y sólo empleará la portadora L1.

Esto permite que las unidades calculen su posición relativa en milímetros, aunque su posición absoluta sea exacta solamente a la misma exactitud que la posición de la estación base. La exactitud nominal típica para estos sistemas de doble frecuencia es de 1 centímetro ± 2 partes por millón (ppm) horizontalmente y 2 centímetros ± 2 ppm verticalmente.

2.3.3. PPK

PPK (Post Processed Kinematics) realiza mediciones de diferencias de fase de dos o más receptores que simultáneamente rastrean varios satélites comunes, uno de los receptores recibe datos desde una posición conocida, en nuestro caso, y los otros se sitúan en los puntos cuyas coordenadas se necesitan conocer. Las diferencias de mediciones de fase de las señales satelitales minimizan los errores, obteniendo estimaciones de gran precisión. El posicionamiento PPK es el más fiable de todos los métodos de levantamiento, con este se puede llegar a obtener una precisión de pocos milímetros.

La información recibida es almacenada en la memoria interna de los receptores y ajustada usando correcciones provenientes de una estación base de referencia, más cercana, tras la toma de datos, si es que no nos hemos ubicado en una base de coordenadas conocidas.

2.3.4. PPK VS RTK

El principal propósito de embarcar este tipo de soluciones es eliminar, o en la medida de lo posible reducir al máximo la necesidad de los puntos de control en el terreno, reduciendo de esta manera el coste final de la operación de levantamiento fotogramétrico. Dados estos dos sistemas de posicionamiento diferencial veamos sus diferencias:

En principio, el sistema RTK promete precisiones en el rango de 1-3cm según los documentos promocionales de los fabricantes para el sector del mapeado desde plataformas aéreas. La principal ventaja del RTK radica en poder controlar al rover, es decir al RPA con una precisión centimétrica, permitiendo al operador conocer la posición de la aeronave con la misma precisión y poder realizar secuencias de aterrizaje basadas en posicionamiento centimétrico. El flujo de trabajo RTK implica medir la ubicación de una estación base, aplicando las correcciones al rover en tiempo real, lo que requiere que el dron y la estación base se comuniquen entre sí constantemente.

En lo que al levantamiento fotogramétrico se refiere, el posicionamiento RTK tiene numerosos cuellos de botella, tales como retardos en la emisión y recepción de señal, así como bloqueos de la señal GNSS. Si decidiésemos recorrer grandes distancias relativas a la base, empleando drones de ala fija, podemos encontrarnos con situaciones en las que el posicionamiento RTK se pierda en vuelo, y por tanto un descenso de la precisión obtenida en el geoetiquetado de las fotografías. Igualmente, la existencia de grandes estructuras (edificios, árboles, montañas, …) puede interferir fácilmente en el intercambio de señales.

Las principales desventajas que se destacan del sistema RTK son:

  • Se requiere una estación base GNSS equipada con un emisor con un enlace de radio estable entre la base y el rover que cubra el trabajo de una plataforma móvil rápida.
  • El rover requiere de un receptor dedicado para realizar las correcciones RTK.
  • Puede tener interrupciones de enlace de radio y bloques de señal GNSS. Por ejemplo debido a las largas distancias entre la estación base y el dron, obteniendo entonces un porcentaje menor de posiciones precisas de la cámara de vuelo.

El sistema PPK, procesa la información tras el vuelo, no durante el mismo. Los datos son almacenados en la memoria interna disponible para dicho fin y postprocesada una vez el vuelo ha finalizado. Este sistema se traduce en menos riesgos de pérdida de datos sujeta a la transmisión de los mismos, obteniendo unos resultados finales más precisos comparados con el sistema RTK a grandes distancias de la base, traduciéndose en una mayor flexibilidad a la hora de trabajar con el mismo.

Los trabajos PPK son especialmente apropiados para áreas urbanas donde los edificios pueden hacer que el sistema RTK sea ineficaz.
En conclusión, un dron con capacidad de flujo de trabajo PPK es superior a un dron habilitado para RTK, en lo que a trabajos cartográficos se refiere. Es más fiable y robusto en términos de manejo de datos y proporciona mayor flexibilidad en el lugar donde se puede realizar el trabajo de producciones cartográficas.

Ambos sistemas reducen la cantidad de puntos de apoyo para un trabajo preciso, llegando a utilizar sólo 1 ó 2 puntos, frente al mínimo de 5 puntos recomendados para drones con receptores GPS estándar. Sin embargo, incluso los algoritmos de procesamiento más sofisticados no puede igualar el nivel de fiabilidad de los datos recopilados a nivel de suelo.

3. FLUJO DE TRABAJO

3.1. MATERIALES EMPLEADOS

Los principales materiales utilizados son:

  • Reach RS+
  • Reach M+
  • Antena Tallysman multi GNSS
  • Dron Phantom 4 Advanced

Imagen del material empleado, cuyo coste, como vemos en la imagen es de unos 1000€:

3.2. EMLID REACH

El Reach RTK se trata de un receptor multi-GNSS con una IMU integrada en Intel Edison. Puede proporcionar coordenadas a nivel centimétrico en modo RTK, para lo cual emplea dos dispositivos, uno fijo, llamado BASE, encargado de proveer las correcciones, y uno móvil, conocido como ROVER que aplica las correcciones enviadas por el BASE. Reach funciona con “RTKLIB”, librerías open source desarrolladas por Tomoji Takasu. El receptor puede ser configurado como base o como móvil. Para la configuración del dispositivo, el mismo cuenta con un servidor web local y un AP (punto de acceso) wifi para conectar un ordenador a dicho AP y así configurarlo mediante el navegador a través de su propia aplicación web ReachView.
Para poder configurar los distintos parámetros y acceder a los gráficos y valores de Emlid Reach, los dispositivos implementan un servidor web con un panel de configuración. Este panel de configuración cuenta con varias pestañas:

  • Status: En esta pestaña se muestra la posición en la que se encuentra el dispositivo así como la calidad de recepción de las distintas señales de satélites.

  • RTK settings: Se tiene acceso a la configuración del modo de funcionamiento de los dispositivos.

 

  • Correction input: Selecciona y configura la interfaz a través de la cual recibe las correcciones de coordenadas.
  • Position output: Selecciona y configura la interfaz a través de la cual envía la posición correcta hacia la controladora de vuelo.
  • Base mode: Selecciona el modo a través del cual enviará las variaciones de coordenadas a la estación móvil. Además, permite seleccionar la posición exacta de la base.

Especificaciones del módulo RS+ y del M+:

3.3. CONEXIÓN CON EL MÓDULO REACH

  1. Alimentamos el módulo REACH con un cable micro USB y esperamos a que el indicador led del mismo se muestre verde, lo cual indicará que ha comenzado a transmitir su propia red wifi

  2. La red Wifi creada se llamará REACH, debemos conectarnos a ella con el ordenador, introduciendo la contraseña preestablecida

  3. En el navegador de internet, introducimos la ip 192.168.42.1 para tener acceso a la configuración del dispositivo desde la página de Intel Edison.

  1. A continuación, nombramos a los dispositivos según el uso que planeemos darle. Necesitaremos una unidad rover y una unidad base, comenzaremos por el rover nombrándolo “Rover_Reach” rellenando el campo New Device Name

  2. Bajo el menú “Conectar a una red Wifi”, es necesario teclear el nombre de la red wifi a la que se tiene acceso, exactamente tal y como aparece bajo las opciones de conectividad, su SISD, además de rellenar todos los datos relativos a la seguridad de la misma tales como el protocolo de encriptación y la contraseña.

  3. Una vez que hemos introducido los datos de la conexión wifi, guardamos la información y esperamos a que se refresque la página.

Con estos pasos habríamos conseguido asignar la red wifi a la que se conecta el módulo Reach así como renombrar el módulo Reach y asignarle la ID única http://Rover_Reach.local guardando la dirección para su uso futuro.

7. Realizamos los pasos realizados con anterioridad en el otro módulo, el Reach RS, pero renombrándolo como Base_Reach.

Las direcciones para cada módulo serán por tanto:

• http://Rover_reach.local
• http://Base_reach.local

3.4. CONFIGURACION PPK
Desde el navegador de un dispositivo móvil o el ordenador, accedemos a las direcciones correspondientes a cada uno de los módulos Reach y accedemos a la aplicación ReachView.

El menú ReachView consta de 9 pestañas pero sólo necesitamos cuatro para comenzar a trabajar:

  • La pestaña de Estado (Status) nos muestra el número y tipo de satélites conectados, los parámetros RTK, las coordenadas y el mapa.
  • La pestaña Modo Base (Base mode) se usa para establecer el tipo de salida de corrección, las coordenadas base y los mensajes RTCM3.
  • La pestaña de Entrada de Corrección (Correction Input) se usa para establecer la corrección de base para el móvil.

  •  La pestaña Registro (Loggin) se usa para grabar registros para el análisis de datos y el post-procesamiento cinemático (PPK) así como para descargarlos desde Reach a su ordenador. Reach puede registrar datos sin procesar, registro de posición y correcciones de base. El registro de datos sin procesar contiene observaciones GNSS del receptor para el cálculo de coordenadas precisas. Puede grabarse en formato UBX o directamente en el formato RINEX (formato estándar). Elegiremos la opción RINEX.

El resto de la configuración deberá ser igual que la que muestro:

  • Position Mode: Static

  • Used postioning systems: GPS, SBAS, GLO

  • Dynamics model of the rover: off

  • U-blox configuration file: GPS_GLONASS_5Hz

  • Input source for base corrections: off

  • Input format for base corrections: rtcm3

  • Solution 1 output path: file

  • Solution 1 output format: llh

  • Solution 2 output path: off

  • Solution 2 output format: llh

  • Raw data log for onboard receiver: file

  • Raw data log for base corrections: off

  • Base antenna coordinates: rinexhead

Las opciones de configuración del dispositivo rover seran idénticas a las del base.

Fijaremos las coordenadas de la base de estación en el modo base a través de correcciones de una base de referencia de la RGAPA por NTRIP (Networked Tranport of RTCM vía Internet Protocol). NTRIP constituye la capa de transporte y los datos transmitidos en el formato RTCM en versiones 2.3 y 3.0, contienen dentro de sus mensajes todos los observables GPS, GLONASS, etc., definición y tipo de antena, coordenadas de la estación de referencia, correcciones de código y fase y, en el caso de la versión 3.0, transmite adicionalmente un mensaje de solución de red, conformado por las correcciones diferenciales de varias estaciones permanentes, lo cual aumenta la consistencia y calidad de las soluciones de posicionamiento en tiempo real.

3.5. TEST DE FUNCIONAMIENTO
Será necesario comprobar el correcto funcionamiento de ambas unidades antes de seguir configurando los equipos. Para hacerlo será necesario disponer de una totalmente a cielo abierto, para minimizar al máximo las posibles interferencias entre satélites y receptor. Esto es recomendable hacerlo mientras todavía conservamos el enlace con la red wifi. Conectamos la antena Tallysman TW 4721 suministrada junto con el modulo Reach que actúa de rover al puerto de antena y posteriormente suministramos alimentación al módulo desde una fuente de 5V vía Micro-USB.

Una vez alimentado podremos comprobar la secuencia rojo/azul/verde y finalmente verde continuo del led de estado, tras lo cual podremos acceder desde un navegador web a los módulos Reach usando la misma red wifi a la que están conectados.
Comprobaremos que las opciones que hemos introducido anteriormente en el paso “Configuración PPK” siguen siendo las mismas de modo que evitemos trabajo de campo innecesario en caso de que no fueran las correctas y pulsamos sobre el botón “START”. Podremos comprobar dentro de la pestaña “Status” una vista en directo de los satélites que la antena puede recibir en tiempo real, finalmente podremos comprobar si el GPS está recogiendo datos pulsando sobre la pestaña “Logs” y actualizar la misma para comprobar que efectivamente la actualización de datos es continua. Dichos datos serán guardados en el almacenamiento interno del módulo.

3.6. TOMA DE DATOS DE LA ESTACIÓN BASE
Cuando se realiza una recolección de datos por PPK es necesario usar una estación base, que puede ser o bien un punto conocido (Latitud, Longitud y altura) o un punto de control creado a partir de la estación base en cualquier lugar con una buena recepción de satélites.

Es recomendable si vamos a elegir este segundo método permanecer alejados de líneas de alta tensión, árboles o edificios que obstaculicen la visión directa de satélites por parte de la estación base, o incluso agua o césped que nos puedan dar errores “multipath” a la hora de hacer el postproceso igualmente es recomendable colocarla en el punto más alto posible y dejar encendida la estación de tierra al menos durante 30 minutos para garantizar que esté muestreando sobre el mismo punto a fin de aumentar la precisión en el postproceso. En nuestro caso hemos dado coordenadas a la base, mediante la conexión NTRIP (protocolo basado en el protocolo de trasferencia de hirpertexto HTTP, desarrollado para distribuir flujos de datos GNSS a receptores móviles o estáticos a través de Internet) a la RGAPA.

Posteriormente activamos la recolección de datos del fichero log:

El fichero se guarda en formato UBX, el cual convertiremos posteriormente a formato RINEX.
RINEX (Receiver INdependet Exchange) es un formato de ficheros de texto orientado a almacenar, de manera estandarizada, medidas proporcionadas por receptores de sistemas de navegación por satélite.

3.7. TOMA DE DATOS DE LA ESTACIÓN ROVER

Una vez los datos de la estación de tierra han comenzado a recolectarse, y nos hemos asegurado de que así sea comprobando que en la pestaña “logs” el tamaño del mismo aumenta con el tiempo, activaremos la recolección de datos en el gps rover instalado en el dron para después comenzar a volar con el RPA siguiendo la misión preestablecida. Al conectar el GPS Reach M+ en el Rover, iremos a la pestaña “Logs” y activaremos la grabación de los datos en formato UBX, al igual que hicimos con el gps base.

3.8. TOMA DE DATOS DE LOS PUNTOS DE APOYO

Marcamos en campo 14 puntos de apoyo, 12 perimetrales mediante espray marcador de topografía, formando círculos de 10 cm de diámetro auxiliados con una plantilla. Los 2 puntos de apoyo restantes los ubicaremos en el centro de la parcela a volar, estos serán implantados mediante dianas de 30×30 cm. Daremos coordenadas precisas (1-2 cm en planta y 2-3 cm en cota) a todos ellos empleado el gps Reach RS+ conectado a la RGAPA.

Muestro imágenes de la toma de los puntos de apoyo, de su situación y de la tipología de los mismos.

3.9. INSTALACIÓN EN EL PHANTOM 3 ADVANCED

El elemento más sensible de la instalación será la colocación de la antena. Una antena

bien colocada es crucial para lograr buenos resultados de posicionamiento. La antena debe tener una vista clara del cielo. No debe haber obstáculos que puedan bloquearla.

Los dispositivos electrónicos pueden producir ruido de RF que podría afectar la recepción de la señal GNSS. Mantendremos el Reach M+ lo más lejos posible de la antena.

La antena debe colocarse en un plano de tierra que reduzca las trayectorias múltiples, proporcione blindaje y mejore la recepción de la señal. El plano de tierra es una placa conductora, que puede ser una pieza de metal.

3.9.1. INSTALACIÓNINICIAL

Inicialmente diseñe una instalación “casera” de todos los componentes, para comprobar su funcionamiento y comprobar la viabilidad del proyecto a ejecutar.
Muestro las principales características de este montaje inicial:
Hemos colocado la antena sobre el plano de tierra sustentada por un brazo de acero inoxidable, a modo de bastidor, formado por dos tiras de fleje. Dicho material es robusto, ligero y además al ir agujereado permite instalar fácilmente el cable de conexión de la antena con el Reach. Este brazo de acero va atornillado a una caja de plástico que albergará el Reach y su fuente de alimentación, un “power bank” que lo alimentará a través de la conexión mini USB del gps. La caja ira sujeta al bastidor mediante dos tornillos con tuercas de acero y el conjunto irá sujeto a las patas de dron mediante bridas, al igual que el brazo que hace de bastidor.

Tras realizar varios vuelos de prueba y ver que el diseño y procedimientos aplicados eran viables, mejoramos la instalación cambiándola por componentes más robustos:

Batería LIPO de 370 mAh

Los componentes del armazón están impresos con una impresora 3D empleando filamentos de material termoplástico. Muestro los componentes principales:

Este se adapta perfectamente al dron phantom 4 empleado, quedando sujeto firmemente.

4. PLANIFICACIÓN DEL VUELO

Existen varios tipos de software que permiten la creación de misiones cuyo objetivo final es la fotogrametría. En mi caso utilizaré Pix4D. Este software ha conseguido simplificar al máximo aquellos parámetros determinantes para la obtención de resultados fotogramétricos. Explico brevemente los principales parámetros a determinar:

  • Solape (Overlap): Un requisito indispensable es la obtención de una adecuada cobertura de imágenes con el mínimo de ellas, para que cada porción de terreno sea cubierta estereoscópicamente (al menos con dos imágenes). O sea, nuestro área de vuelo debe aparecer con imágenes superpuestas tanto longitudinalmente como trasversalmente. Pix4D otorga el mismo valor para el solape longitudinal que para el trasversal (al menos en Android). Esto habitualmente no es así, debido fundamentalmente al tamaño y disposición del sensor. Las recomendaciones habituales son trabajar con solapes del 80 y 60 %, longitudinal y transversal. Utilizaré el valor del 80% que viene por defecto.

  • Velocidad (Speed): Nuestro dron tiene una velocidad máxima de 16 m/s. Por defecto Pix4D elige la máxima, pero en mi caso, debido a que el obturador de la cámara es del tipo “rolling shutter”, y que a una velocidad menor la falta de coordinación entre el tiempo de toma de la imagen y la obtención de la posición corregida en ese mismo instante, supondrán un menor error o desplazamiento, escogeré una velocidad media, de 8 m/s. Con lo cual también limito drásticamente la superficie a cubrir con el vuelo, aunque no nos afecte en este caso concreto.

  • Ángulo de la cámara (Angle): Por defecto es 90o, completamente vertical, que es lo más recomendable en este trabajo. Si realizase una rejilla, donde las pasadas se cruzan transversalmente, el ángulo de la cámara pasaría a unos 70o para captar la mayor información posible de cualquier elemento vertical. A excepción de este caso y otros particulares, nuestra intención será tener las menores deformaciones en las imágenes y eso implica evitar la inclinación de la fotografía para evitar desviaciones directamente proporcionales al ángulo de la cámara.

  • Orientación (Face): La orientación del sensor, que para la mayor parte de los drones que usan esta aplicación será necesario tomar la opción de “forward”, es decir, con el dron avanzando con su sensor en posición apaisada.

  • Altura de vuelo: A mayor altura, mayor GSD, menor resolución y viceversa. A menor altura, menor GSD y mejor resolución, pero tu misión cubrirá menor superficie a igual autonomía. Elegiré una altura de 60 m, con un GSD de 2.1 pix/cm.

    Imagen de las diferentes opciones de vuelo:

Configuradas las opciones del vuelo nos dirigimos a la vista del mapa, que es la vista principal de una misión y establecemos el tamaño de la cuadrícula a volar. En la pantalla vemos la posición del dron, el punto de origen y el final de la misión y cuando este en vuelo, la posición en las que se tomaron las fotografías. En la parte inferior vemos la duración prevista del mismo. Finalmente enviamos los datos al dron y realizamos el vuelo programado:

Realizado el vuelo se tomaron un total de 145 imágenes en el área seleccionada.

5. POSTPROCESO DE LOS DATOS

Volcaremos los registros de coordenadas de los dispositivos y los sincronizaremos para obtener las posiciones del drone con las correcciones PPK. Este procedimiento se repetirá en ambas unidades, base y rover, almacenando los datos extraídos, renombrándolos para distinguir el fichero perteneciente a la base y al rover.

5.1. EXTRACCIÓN DEL ARCHIVO .RINEX

Accedemos a la base y al rover a través de la aplicación ReachView y entramos en lapestaña de Registro (Loggin), desactivando la toma de datos RINEX de RAW DATA, pudiendo ver la fecha y hora de grabación del archivo.
Hay dos botones en el lado derecho de cada registro, uno permite guardar el archivo y otro eliminarlo. Descargamos los archivos RINEX de la base y rover.

5.2. CÁLCULO DE POSICIONES CORREGIDAS

Iniciamos el software (open source) RTKLIB RTKCONV, para transformar los archivos en formato UBX descargados a formato RINEX. Hay que hacerlo con los dos archivos descargados, el del gps empleado como base y el del rover.
Iniciamos el software y elegimos dentro de la pestaña de opciones la versión 3.03 RINEX. En el cuadro “formato” elegimos “u-blox”, para que reconozca los archivos UBX descargados. Elegimos el directorio de salida y finalmente pulsamos el botón “Convert”. Muestro imágenes del proceso:

Posteriormente iniciamos el software (open source) RTKLIB RTKPOST, marcamos en ajustes el modo de observación “kinematic” para desbloquear los campos para los datos de la estación base. Puede omitirse la hora de inicio, no es obligatorio, continuamos:

  • Elegimos el archivo .obs de rover para el campo Rover (archivo RINEX del rover)

  • Elegimos el archivo .obs de base para el campo Base (archivo RINEX de la base)

  • Ponemos el archivo .nav de la base en el tercer campo (generado por el software RTKCONV al generar el fichero RINEX de la base.

  • El archivo .pos con los eventos de disparo va al final, este archivo es generado por el software RTXCONV al generar el RINEX del rover.

Ahora procedemos al menú de opciones, configurando las diferentes pestañas como en las imágenes adjuntas:

En la pestaña “Positions” introducimos las coordenadas de la base y la distancia entre la antena gps Talysman y el sensor de la cámara, que es de 0,23 m.

Pulsamos el botón “OK” del menú de opciones y procedemos a ejecutar el cálculo de posiciones corregidas pulsando el botón “Execute”. Para limitar el tiempo de postprocesado y prevenir errores de memoria, podemos definir la fecha y hora de inicio, así como de finalización a partir de las cuales queremos que corrija posiciones. Presionamos Ejecutar, veremos la barra de progreso en verde, y el software comenzará a correguir las posiciones del rover en función de las observaciones de la base, obteniendo un resultado final con mejor resultado que el que hubiéramos obtenido siguiendo el método RTK.

Esperamos a que termine. Después veremos en la carpeta de salida varios archivos, el archivo .pos con “_events” contendrá las marcas de tiempo del evento de disparo si las hubo durante el trabajo, el otro archivo nombrado como XXXX.pos es el movimiento corregido y registrado por el rover.

VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Ejecutando el software RTK PLOT veremos la representación gráfica de dichos archivos. Iremos a la pestaña “File” y en “Open solution 1” elegimos el fichero ,pos con la trayectoria de vuelo. En “Open solution 2” escogemos el archivo events.pos con las coordenadas de los centros perspectivos.
Pulsando los botones “1” ó “2” del menú podemos alternar entre una vista u otra de las soluciones cargadas.
Muestro imágenes del flujo de trabajo:
y arrastramos y soltamos el archivo .pos. Si vemos puntos verdes significa que están fijos (Q=1), naranja significa flotante (Q=2) y rojo autónomo (Q=5).
Una solución flotante se obtiene cuando el procesador de líneas base no es capaz de resolver la búsqueda de ambigüedad del entero con suficiente fiabilidad, luego no es precisa. Al contrario que la solución fija, que si resuelve la ambigüedad y es precisa. Imagen del archivo .pos con la trayectoria de vuelo corregida:

Imagen del archivo .pos con las coordenadas de los centros perspectivos:

5.3. EXTRACCIÓN DE DATOS PARA EL GEOETIQUETADO DE LAS FOTOGRAFÍAS

Abrimos Microsot Excel y abrimos el archivo events.pos generado en la solución RTKLIB:

De este archivo extraeremos las columnas de latitud, longitud y altura, copiando su contenido a un archivo de texto, nombrando el mismo como geoetiquetado.

6. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO

Pretendemos ahora cuantificar la mejora obtenida en el geoposicionamiento de los resultados, mediante el empleo del software PIX4D.
Añadimos las fotografías y archivo de posiciones georreferenciado al cargar las imágenes:

Seleccionamos la precisión de geolocalización personalizada, estableciendo un valor de 0,05 m, y teniendo en cuenta el modelo de geoide empleado en el GPS:

Procesamos el mapa 3D e importamos el archivo de puntos de control de tierra en PIX4D como tipo “Check Point”, marcamos los mismos en el editor básico o en el raycloud:

Muestro imágenes de la situación de los puntos de control, señalando los empleados en los diferentes procesamientos:

Vemos unas cruces de color azul, que representan a los 14 puntos de control tomados en campo.

En los procesamientos realizados con 2 puntos de apoyo, hemos seleccionado uno situado en el centro y otro perimetral, a la zona de estudio. Estos puntos están representados por cruces de color azul oscuro.

En los procesamientos realizados con 5 puntos de apoyo, hemos seleccionado uno situado en el centro y cuatro perimetrales, distribuidos en las esquinas de la zona de estudio. Estos puntos están representados por cruces de color azul oscuro.

Calculamos y reoptimizamos el proyecto y generamos el informe de calidad.

7. INFORMES DE PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO

Realizamos 6 procesados fotogramétricos:

  1. Con las fotografías geoetiquetadas por el sistema de navegación del dron. Sin puntos de apoyo empleando todos los puntos de apoyo como puntos de control.
  2. Con las fotografías geoetiquetadas por el sistema de navegación del dron, empleando dos puntos como puntos de apoyo y el resto como puntos de control
  3. Con las fotografías geoetiquetadas por el sistema de navegación del dron, empleando cinco puntos como puntos de apoyo y el resto como puntos de control
  4. Con las coordenadas precisas de los centros perspectivos (usando el archivo de geoetiquedado) sin puntos de apoyo, empleando todos los puntos de apoyo como puntos de control.
  5. Con las coordenadas precisa de centros perspectivos empleando dos puntos como puntos de apoyo y el resto como puntos de control.
  6. Con las coordenadas precisa de centros perspectivos empleando cinco puntos como puntos de apoyo y el resto como puntos de control

    Muestro los resultados de los errores medios cuadráticos obtenidos en los puntos de control, extraídos de los diferentes informes de procesamiento a continuación:

7.1. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO CON FOTOGRAFÍAS GEOETIQUETADAS POR EL SISTEMA DE NAVEGACIÓN DEL DRON PHANTOM 4. SIN PUNTOS DE APOYO. RESULTADOS.

Imagen con los 14 puntos de apoyo empleados como puntos de control.

7.2. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO CON FOTOGRAFÍAS GEOETIQUETADAS POR EL SISTEMA DE NAVEGACIÓN DEL DRON PHANTOM 4 Y EMPLEANDO 2 PC. RESULTADOS.

7.3. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO CON FOTOGRAFÍAS GEOETIQUETADAS POR EL SISTEMA DE NAVEGACIÓN DEL DRON PHANTOM 4 Y EMPLEANDO 5 PC. RESULTADOS.

7.4. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO CON FOTOGRAFÍAS GEOETIQUETADAS A TRAVÉS DEL PROCESO PPK. SIN EMPLEAR PUNTOS DE APOYO. RESULTADOS.

7.5. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO CON FOTOGRAFÍAS GEOETIQUETADAS A TRAVÉS DEL PROCESO PPK. EMPLEANDO DOS PUNTOS DE APOYO. RESULTADOS.

7.6. PROCESADO FOTOGRAMÉTRICO CON FOTOGRAFÍAS GEOETIQUETADAS A TRAVÉS DEL PROCESO PPK. EMPLEANDO CINCO PUNTOS DE APOYO. RESULTADOS.

8. ANÁLISIS DE LOS ERRORES MEDIOS CUADRÁTICOS DE LAS COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE CONTROL OBTENIDAS EN LOS DIFERENTES PROCESAMIENTOS REALIZADOS.

Muestro en una tabla los resultados de los RMS de los GCP obtenidos en los procesamientos:

En color rojo muestro los resultados obtenidos con el geoetiquetado preciso con PPK procesado sin puntos de control. Muestro de nuevo los mismos:

Sombreado en color violeta vemos los mayores valores obtenidos en los errores medios cuadráticos, correspondientes al procesado de las imágenes geoetiquetadas con el sistema de navegación del dron y sin puntos de apoyo.

Sombreado en color verde vemos los menores valores obtenidos en los errores medios cuadráticos, correspondientes al procesado de las imágenes geoetiquetadas con el sistema de navegación del dron y empleando cinco puntos de apoyo.

Muestro unos gráficos con la interpretación de los resultados obtenidos, tanto para los procesamientos realizados sin coordenadas precisas de los centros perspectivos como para los procesamientos con coordenadas precisas obtenidas con PPK:

9. CONCLUSIONES DEL PROYECTO.

A la vista de los resultados obtenidos y recordando el objetivo inicial del proyecto, que era aumentar la precisión de los datos obtenidos en un levantamiento fotogramétrico con el geoetiquetado preciso de los centros perspectivos de las imágenes a través de un sistema de posicionamiento PPK de bajo coste, instalado en un dron, vemos que cuando no se emplean puntos de apoyo a la hora del procesamiento la mejoría en los resultados obtenidos es muy grande:

Pasamos de obtener una precisión métrica empleando el sistema de navegación del dron a una precisión centimétrica, empleando el sistema de posicionamiento PPK.

La precisión obtenida con el sistema PPK arroja un RMS medio de unos 7 cm en planimetría y 6 cm en altimetría, precisión suficiente para la realización de múltiples trabajos de topografía.

Cuando empleamos puntos de control, vemos que los RMS disminuyen a medida que aumentamos su número, siendo más precisos, aunque muy parejos, los resultados obtenidos con el procesamiento de los datos no geoetiquetados de forma precisa, es decir, sin el método PPK instalado en el dron.

La zona objeto de estudio en nuestro caso tiene una superficie de 4,39 Ha y tenía una orografía uniforme. Observamos que cuando empleamos 5 puntos de control, número mínimo de puntos a emplear según la ASRM (ver anexo 1), el RMS de ambos sistemas es muy similar y muy bajo, en torno a 1-2 cm.

Como conclusión en el procesamiento con y sin posicionamiento preciso PPK empleando puntos de apoyo diría que la metodología PPK es útil y rentable emplearla cuando las extensiones del levantamiento son grandes, mayores de 40 Ha. Ya que en estos casos, la implantación de puntos de apoyo cuando no empleamos el sistema PPK es gravosa, pues su colocación requiere mucho tiempo y su número aumentaría conforme al tamaño de la zona a levantar, mientras que con el sistema PPK podríamos garantizar resultados similares empleando menos puntos de apoyo.

Síntesis general del empleo de sistemas de posicionamiento preciso en drones:

Un obstáculo importante que limita la generalización de los drones RTK o PPK es el alto coste de la inversión inicial asociada a dicha tecnología. Los drones equipados con un sistema de posicionamiento con precisión centimétrico son más caros que los que llevan instalados receptores GPS estándar, de precisión métrica.

El coste de un dron con posicionamiento preciso integrado puede ser 5 veces más caro que un dron sin un sistema de posicionamiento centimétrico, como el phantom 4 utilizado en el proyecto, incluyendo el sistema PPK empleado.
Sin embargo, realizar levantamientos fotogramétricos utilizando puntos de apoyo implica pasar horas en campo realizando mediciones en trabajos de cierta envergadura (> 40 Ha). Esto se corresponde también a horas adicionales de trabajo de gabinete marcando los puntos de apoyo en el software de procesado fotogramétrico. También se dedica un tiempo considerable a planificar dónde ubicar los GCP, una tarea que puede resultar improductiva si un GCP resulta inaccesible debido a las limitaciones del terreno.

El empleo del sistema de posicionamiento preciso (PPK o RTK) permiten a los topógrafos mejorar sus prestaciones con trabajos realizados con mayor precisión y tiempos de respuesta más cortos. En un campo que se está volviendo cada vez más competitivo, esta es una ventaja comercial que puede resultar invaluable a largo plazo.

El desarrollo de la tecnología RTK y PPK con sistemas GPS de bajo coste, ha sido una excelente noticia en el campo de los drones relacionado con la fotogrametría. Representa un gran paso adelante en términos de prácticas de levantamiento de mapas, un campo que ya ha sido significativamente revolucionado por la tecnología de drones. Con la tecnología RTK / PPK, se pueden producir modelos y mapas más precisos con menor esfuerzo del que requieren los métodos tradicionales.

A medida que la tecnología sigue madurando y tiene la oportunidad de ser más asequible, esto supondrá una estandarización en el flujo de trabajo de los topógrafos.

10.BIBLIOGRAFÍA

  1. ACKERMANN, F.. Structural Changes in Photogrammetry. Proc. Od the 43rd Photogrammetric Week at Stuttgart Unniversity,9-14 Setember, 99.9-23 , 1991.
  2.  THOMPSON, M. Y GRUNER, H. Foundations of Photogrammetry. Manual of Photogrammetry.ed. C.C. Sama. American Society of Photogrammetry and Remote Sensing, pp.1-36 . 1980
  3. NTCA 02-002: Procesos: Observación y procesamiento GNSS. Comisión de Cartografía de Andalucía.
  4. IFATCA. “A Beginner’s Guide to GNSS in Europe”. EVP Europe, 1999.
  5. “INTERFACE SPECIFICATION IS-GPS-200D Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces”. GPS JOINT PROGRAM OFFICE, 2004.
  6. “GLOBAL POSITIONING SYSTEM STANDARD POSITIONING SERVICE STANDARD”. ASD, 2001
  7. “Galileo Open Service Signal In Space Control Document (OS SIS ICD). Draft 0”. ©, European Space Agency / Galileo Joint Undertaking, 2006.
  8. “GLONASS INTERFACE CONTROL DOCUMENT Version 5.0”. 2005.
  9. “GLONASS: Status and Perspectives”. Federal Space Agency of the Russian Federation, 2005.
  10. Gregory T. French. “Understanding the GPS. An introduction to the Global Positioning System, What is and how it works”. GeoResearch, 1996.
  11. Scott Pace, Gerald P. Frost, Irving Lachow, David R. Frelinger, Donna Fossum, Don Wassem, Monica M. Pinto. “The GPS Assesing National Policies”. RAND, 1995.
  12. http://tycho.usno.navy.mil/gps.html “USNO GPS Timing Operations”
  13. http://pagesperso-orange.fr/jean-paul.cornec/gnss.htm“GNSS” Universidad Politécnica de Valencia
  14. LERMA GARCÍA, J.L. (2002): Fotogrametría moderna: analítica y digital. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. Valencia.
  15. GARCÍA, J., DE SANJOSÉ, J.J., LÓPEZ, M. (2000): Introducción a las ciencias que estudian la geometría de la superficie terrestre. Editorial Bellisco. Madrid.
  16. PEREZ ALVAREZ, JUAN ANTONIO (2001): Apuntes de Fotogrametría. Centro Universitario de Mérida. Universidad de Extremadura.
  17. RUIZ MORALES, M. (2003): Nociones de Topografía y Fotogrametría aérea. Editorial Universidad de Granada. Granada.
  18. SCHENK, T. (2002): Fotogrametría digital. Instituto Cartográfico de Cataluña. Barcelona.
  19. WOLF, P.R. (1983): Elements of Photogrammetry. Editorial Mc Graw-Hill.
  20. ASPRS Accuracy Standars for Digital Geospatial Data (2013).
  21. http://www.asprs.org/PAD-Division/ASPRS-POSITIONAL-ACCURACY-STANDARDS-FOR-DIGITAL-GEOSPATIAL-DATA.html
  22. https://docs.emlid.com/reachm-plus/
  23. https://support.pix4d.com/hc/es
  24. https://haciaelespacio.aem.gob.mx/revistadigital/articul.php?interior=350

ANEXO 1: Criterios de aceptación según la ASPRS.

Fuente: https://www.asprs.org/

American Society for Photogrammetry and Remote Sensing.

La Sociedad Estadounidense de Fotogrametría y Teledetección es una sociedad norteamericana dedicada a la fotogrametría. Es la organización miembro de los Estados Unidos de la Sociedad Internacional de Fotogrametría y Teledetección.
Fue fundada en 1934.

«Los nuevos estándares ASPRS abordan las innovaciones recientes en las imágenes digitales y los sensores sin imágenes, el GPS aerotransportado, las unidades de medida inercial (IMU) y las tecnologías de triangulación aérea (AT). A diferencia de los estándares anteriores, los nuevos estándares son independientes de la escala y el intervalo de contorno, abordan los niveles más altos de precisión que pueden alcanzar las últimas tecnologías (por ejemplo, sistemas aéreos no tripulados y sistemas de cartografía móvil lidar), y proporcionan la flexibilidad suficiente para ser aplicables a las tecnologías futuras a medida que se desarrollan. Finalmente, los nuevos estándares proporcionan referencias cruzadas a estándares más antiguos, así como una guía detallada para una amplia gama de aplicaciones potenciales «.

Fuente: https://www.asprs.org/