Aplicaciones de drones a la gestión del patrimonio

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Aplicaciones de drones a la gestión del patrimonio y herencia cultural

patrimonio y drones

Documentar el patrimonio mediante drones

¿Por qué documentar el patrimonio?

Aunque en un principio la documentación de nuestra herencia cultural puede parecer una actividad poco productiva y/o lucrativa, es una responsabilidad de la sociedad conocer su legado patrimonial como seña de identidad y potenciar las acciones que favorezcan su restauración y conservación.

Dado el carácter único e irremplazable de la mayoría de elementos que componen nuestro patrimonio, cualquier pérdida puede resultar dramática.

Una correcta documentación del patrimonio podrá ser de gran utilidad para otras labores como estudios históricos o arqueológicos (Arqueología virtual). Su difusión a través de portales web, visitas virtuales, publicidad, etc., puede revertir económicamente en las zonas que se favorezcan de estas herramientas.

¿Por qué utilizar un dron?

Aunque se trata de sistemas que se están popularizando muchísimo en los últimos tiempos y su inclusión en cualquier proyecto técnico puede resultar muy atractivo, debe al menos cumplirse una de las siguientes premisas para que la utilización de estos sistemas

sea lógica:

  • Situar un sensor en un lugar inaccesible mediante otros métodos (pértigas, torres, andamios, etc.).
  • Sustituir el riesgo que supondría realizar esa tarea por otros métodos más peligrosos.
  • Ser más barato que otros métodos posibles, es decir, ha de ser económicamente viable para el proyecto en cuestión.

Parece lógico pensar en los UAV o drones como una herramienta útil y eficaz para obtener datos de las zonas inaccesibles de los bienes patrimoniales. Así pues, lo normal será limitarnos a utilizar estos aparatos para documentar cubiertas y torres en el exterior y bóvedas u oquedades en el interior, dejando la documentación de las fachadas y las zonas más accesibles abiertas a la utilización de otras técnicas de medida más desarrolladas como puede ser la fotogrametría terrestre, el láser escáner o incluso la topografía clásica donde las precisiones alcanzables pueden ser más altas.

La combinación de metodologías suele dar buenos frutos si se aplican de manera adecuada y se tienen en consideración las precisiones alcanzables en cada caso.

Las misiones se podrán diseñar adaptándolas a diferentes propósitos en cada caso:

  • Imágenes o videos de alta resolución para utilizarlos como documento visual en inventarios.
  • Vuelos con diferentes sensores (visuales o térmicos) para localizar problemas o patologías.
  • Vuelos fotogramétricos para obtener documentos métricos (medibles) en dos o tres dimensiones.

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Será este último tipo de trabajo el que desarrollaremos a continuación por necesitar una metodología específica.

Metodología para la reconstrucción geométrica de edificios patrimoniales a partir de fotografías

Captura de datos

La fotogrametría es la técnica cuyo fin 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 (Bonneval).

La ventaja de esta técnica es que nos permitirá obtener medidas tridimensionales a partir de imágenes bidimensionales. Escalando y apoyando topográficamente estos los trabajos fotogramétricos podremos pasar de coordenadas bidimensionales (píxeles) a coordenadas tridimensionales (arbitrarias o coordenadas terreno en un sistema de referencia determinado).

A la zona común entre dos fotografías la llamamos solape, y es aquí donde se producirá el modelo estereoscópico. Combinando diferentes modelos podremos obtener la reconstrucción del objeto, es decir, si diseñamos el plan de vuelo de manera que cada punto del objeto aparezca en dos o más imágenes consecutivas, podremos reconstruirlo tridimensionalmente.

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La planificación del vuelo dependerá de las exigencias del trabajo, la complejidad del objeto a documentar, las características del sistema aéreo no tripulado y de la cámara que utilicemos.

Para reconstruir con éxito un objeto 3D es crucial garantizar la superposición suficiente de imágenes a través del conjunto de datos de entrada. en el caso de la fotografía aérea cenital se suelen tomar como valores orientativos el 60% de recubrimiento transversal y 80% de recubrimiento longitudinal.

Para vuelos circulares se ha de tomar al menos una imagen cada 15º; por lo tanto, para cubrir un objeto sencillo habrá que tomar al menos 24 imágenes en un vuelo circular.

Para objetos más complejos habrá que estudiar detenidamente la configuración óptima del vuelo.

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Visto esto, deducimos que la mejor plataforma para acometer este tipo de trabajos será un multirrotor, que nos dará flexibilidad en la toma fotográfica y nos permitirá captar imágenes a diferentes alturas y con diferentes ángulos, no solo en el exterior del edificio sino también en el interior para lugares inaccesibles mediante otras técnicas.

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Cámara, altura de vuelo y GSD

La selección de la cámara es otro aspecto fundamental para lograr el éxito en nuestro trabajo. En los últimos años, se ha experimentado una gran evolución en las capacidades de estos dispositivos al mismo tiempo que una reducción considerable de sus costes. Existe una gama muy amplia, desde cámaras deportivas con un tamaño muy reducido y unas prestaciones ópticas muy aceptables hasta complejas y sofisticadas cámaras réflex. Sin duda hay que elegir una buena cámara, con altas resoluciones y velocidades de disparo, pero habrá que tener en cuenta también la plataforma en la que irá aerotransportada. Tendremos que tener en consideración la carga de pago máxima, la autonomía y el sistema de estabilización de cámara. habrá pues, que buscar una situación de compromiso entre características de la cámara y su tamaño, peso y precio. Las cámaras compactas suelen ser una buena solución para este tipo de trabajos.

La altura de vuelo (o distancia de la cámara al objeto) estará condicionado por el nivel de detalle que queramos captar, y este a su vez por la resolución del sensor y la focal del objetivo. Aquí solemos hablar del GSd (ground sample distance) que es la huella o el tamaño del pixel proyectado sobre el terreno. también se suele dar como la distancia entre los centros de dos píxeles vecinos en una imagen aérea medidos en planta.

 

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Precisiones, apoyo topográfico y georeferenciación

La precisión alcanzable en este tipo de trabajos rondará el valor del GSD para la planimetría y aproximadamente el doble de este valor para la altimetría. Se trata de valores estandarizados, la precisión real alcanzable dependerá de muchos factores, como el método de validación utilizado, la luz en el momento de la toma, etc.

Sabiendo esto, habrá que diseñar el vuelo atendiendo a nuestras necesidades en cuanto a la precisión, pero también habrá que dotar al trabajo de puntos de control que nos permitan escalar, orientar y colocar nuestro modelo en un sistema de referencia.

Con dos puntos de coordenadas conocidas en el objeto podremos calcular la distancia entre ellos y utilizarla para escalar el modelo. esta es la acción más simple que podremos llevar a cabo. Lo ideal será dotar al trabajo de varios puntos que engloben el objeto y medirlos con instrumentos topográficos de precisión acorde a nuestras necesidades. Es interesante medir puntos de sobra, que no se vayan a utilizar en el procesado fotogramétrico para así tener un conjunto de datos para la verificación de las precisiones obtenidas.

Equipamiento topográfico

Receptor GNSS

Será útil para la medición de puntos de control o targets en el suelo. Estos puntos de control pueden ser elementos naturales fácilmente reconocibles o preseñalizados mediante dianas de puntería o señales.

Además esta tecnología nos puede servir para establecer una red topográfica inicial y enlazar con el sistema geodésico de referencia, si es que la zona donde vamos a trabajar carece de ello.

Estación total

Normalmente, en este tipo de trabajos nos encontraremos elementos elevados como torres o tejados en los que no podremos medir puntos utilizando el GPS. Mediremos así puntos de control en pequeñas dianas de puntería que podamos colocar o si no es posible en clavos, tornillos o detalles de la mampostería. Es importante hacer croquis de estos puntos para no cometer errores en el procesamiento.

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Procesado

Con los datos recopilados (imágenes, log de vuelo si está disponible y coordenadas de los puntos de control) podemos empezar el procesamiento de los datos.

Existen numerosas suites de procesamiento en el mercado, pero al menos nos debe permitir realizar las siguientes tareas:

• Reconstrucción de la toma: orientación interna, orientación relativa, orientación externa.

• Reconstrucción de la geometría del objeto: densificación de nubes de puntos, creación de mallas o superficies poliédricas, o modelos tridimensionales.

• Creación de la textura fotográfica del modelo utilizando las propias imágenes.

Extracción de productos derivados: ortoimágenes de plantas o alzados, nubes de puntos, modelos tridimensionales o incluso impresionantes videos a través de los modelos.

Normalmente será proyectos de gran envergadura, y el procesado se verá condicionado por la capacidad de ordenador utilizado para ello. en este caso habrá que fragmentar el proyecto en diferentes sub-proyectos que luego se puedan unir una vez finalizado.

Fusión de resultados con otras fuentes de información

Como se ha comentado anteriormente la utilizaremos el dron para obtener información de zonas inaccesibles y en ocasiones, puede resultar útil combinar los resultados obtenidos con otros obtenidos mediante otros métodos como puede ser el láser escáner o fotogrametría terrestre.

Para que esta combinación sea posible, deberemos utilizar el mismo sistema de referencia en ambos conjuntos de datos y los puntos de control y las técnicas de medida de estos deberán ser los adecuados para no cometer errores groseros en la alineación de los modelos.

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Entregables

Una vez concluido el procesamiento del proyecto con todos los aspectos mencionados anteriormente, estamos en posesión de unos modelos tridimensionales muy completos, unas nubes de puntos muy densas y unas texturas fotográficas altamente realistas. ¿Y ahora, qué hacemos con todo esto?, ¿Necesitará nuestro cliente tanta información?.

La experiencia nos dice que cada cliente tiene sus necesidades particulares, y que normalmente no van a estar preparados para asimilar tanta cantidad de información que seremos capaces de exportar tras nuestro trabajo.

En arquitectura aún no se tiene mucha costumbre de trabajar con superficies poliédricas, aunque parezca paradójico todavía no se utilizan mucho las superficies en 3D sino con los planos convencionales en soporte papel. Además en ocasiones se necesitan los despieces de cantería dibujados. Así pues, habrá que exportar los modelos y ortofotos a sistemas CAD y dibujar los planos, extraer medidas, proyectar actuaciones. nos podremos valer de programas de renderizado y retoque fotográfico para mejorar los resultados. Para todo esto emplearemos mucho más tiempo que el que se ha empleado en el vuelo y procesamiento, con el consiguiente incremento del precio.

Estas superficies poliédricas si tendrían utilidad para restauradores y conservadores, pero estos tendrán problemas al trabajar con los formatos de las mallas.

El resultado ideal debiera ser combinación entre el modelo 3D y planos ortogonales en sistema diédrico, con las dificultades que esto conllevaría, sobre los que se plasmen las diferentes patologías que se observan al inspeccionar la nube de puntos. Esto es una solución muy difícil de conseguir, ha de realizarlo especializada en cantería, humedades, etc. y los costes serán muy elevados.

Al final, como siempre, todo depende del presupuesto disponible, que en general en restauración será siempre muy limitado y se dedicará casi todo a lo imprescindible y urgente (limpieza general de fachadas y tapado de grietas y poco mas).

Para lograr que este tipo de trabajos sea atractivo y sobre todo viable económicamente hablando, el producto ideal es la nube de puntos o el modelo 3D y formar al cliente en su uso y manejo para que él sea capad de extraer los resultados que el necesita y con los que está acostumbrado a trabajar.

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Conclusiones

• Los UAV/ UAS / SARP, constituyen una herramienta viable, y la fotogrametría de objeto cercano una técnica adecuada para el levantamiento y reconstrucción geométrica de edificios. Su precisión y eficiencia están contrastadas.

• No se trata de sustituir técnicas, ni de minimizar costes equipos u operarios, sino de conocer la tecnología disponible, utilizarla en los casos que la necesitemos, combinar con otros métodos implantados y conseguir un resultado completo, preciso y económicamente viable.

• Las aplicaciones pueden ser múltiples y los resultados extremadamente completos y complejos, en ocasiones, se genera gran volumen de datos difícil de manejar. Es por tanto necesario unos profundos conocimientos en planificación y ejecución de vuelos, procesamiento de datos e interpretación de resultados, así como conocer las necesidades particulares de cada trabajo.

José Antonio Domínguez

Acre Soluciones Topográficas