Fotogrametría VS LIDAR: qué sensor elegir

En las operaciones topográficas con drones, la elección entre fotogrametría frente a LIDAR depende en gran medida de la aplicación exacta. También hay que tener en cuenta factores operativos, como el coste y la complejidad. Saber qué resultados necesita realmente le ayudará a tomar la decisión correcta.

Recibimos muchas preguntas sobre los sensores LIDAR y su aplicación a los levantamientos 3D con drones. ¿Qué es el LIDAR y cómo se compara su rendimiento con los resultados obtenidos con cámaras RGB de alta resolución y fotogrametría con drones? En este artículo, exploraremos las diferencias entre la fotogrametría y el LIDAR, aunque sus resultados tridimensionales (3D) parezcan similares. Luego profundizaremos en aplicaciones específicas y en cómo la fotogrametría puede proporcionar resultados excepcionales para la mayoría de las misiones a una fracción del coste y la complejidad del LIDAR.

¿Qué es la fotogrametría?

En fotogrametría, un dron captura un gran número de fotos de alta resolución sobre una zona. Estas imágenes se superponen, de modo que el mismo punto del terreno es visible en varias fotos y desde distintos puntos de vista. Del mismo modo que el cerebro humano utiliza la información de ambos ojos para percibir la profundidad, la fotogrametría utiliza estos múltiples puntos de vista en las imágenes para generar un mapa 3D.

El resultado es una reconstrucción tridimensional de alta resolución que no sólo contiene información sobre la elevación y la altura, sino también sobre la textura, la forma y el color de cada punto del mapa, lo que facilita la interpretación de la nube de puntos tridimensionales resultante.

Los sistemas de drones que utilizan fotogrametría son rentables y ofrecen una flexibilidad extraordinaria en cuanto a dónde, cuándo y cómo capturar datos 2D y 3D.

¿Qué es el LIDAR?

El LIDAR, acrónimo de "light detection and ranging", envía pulsos de luz láser y mide el tiempo exacto que tardan en regresar al rebotar en el suelo. También mide la intensidad de ese reflejo. El LIDAR es una tecnología que existe desde hace muchas décadas, pero que sólo recientemente ha estado disponible en un tamaño y potencia factibles para llevarla en grandes drones.

El LIDAR utiliza espejos oscilantes para enviar pulsos láser en varias direcciones y generar una "lámina" de luz a medida que el dron avanza. Midiendo el tiempo y la intensidad de los impulsos que vuelven, puede proporcionar lecturas del terreno y de puntos en el suelo.

El sensor es sólo una parte del sistema LIDAR. Para obtener datos útiles, es fundamental contar con un sistema de posicionamiento por satélite (GNSS) de alta precisión, así como con sensores de gran exactitud para determinar la orientación del sensor LIDAR en el espacio: una unidad de medición inercial (IMU). Todos estos subsistemas de alta gama deben funcionar en perfecta orquestación para permitir el procesamiento de los datos brutos en información utilizable, un proceso denominado georreferenciación directa.

Los estudios LIDAR aerotransportados clásicos se realizan desde un avión tripulado y son menos precisos, pero capaces de cubrir más terreno que las operaciones LIDAR con UAV ligeros. En concreto, se pueden cubrir entre 10 y 1000 km2 en un solo vuelo. La precisión absoluta depende de la altura de vuelo y de la elección del sensor. A una altura de vuelo típica de 2000 m (6600 pies) sobre el nivel del suelo (AGL), se puede esperar un límite de precisión absoluta de unos 20 cm (8 pulgadas) en horizontal y 10 cm (4 pulgadas) en vertical.

Los sistemas LIDAR para drones ligeros cubren todo lo que el dron permite por vuelo. Como veremos en detalle en las secciones siguientes, estos sistemas pueden ser más precisos que los que llevan las aeronaves tripuladas. En concreto, los drones de ala fija que llevan una carga útil LIDAR pueden cubrir hasta 10 km2 (4 mi2) en un vuelo, con límites de precisión absoluta en torno a 10 cm (4 in) en horizontal y 5 cm (2 in) en vertical.

Tanto en el caso de los aviones tripulados como en el de los drones ligeros LIDAR, la precisión es significativamente menor que la que ofrece la fotogrametría. Además, el posprocesamiento del LIDAR requiere conocimientos técnicos que van más allá de una formación rápida o la lectura de un manual, como veremos a continuación.

Diferencias entre fotogrametría y LIDAR

Lidar es una medición directa: se golpea físicamente un elemento con luz y se mide el reflejo. La fotogrametría con drones utiliza las imágenes captadas por una cámara montada en un dron para reconstruir el terreno en un modelo 3D preciso mediante la superposición de imágenes y un control terrestre suficiente.

Obtenga más información sobre la ciencia del uso de la fotogrametría para convertir imágenes de drones en nubes de puntos de imagen y mapas 3D en esta entrada del blog.

La principal diferencia entre el lidar y la fotogrametría es, por supuesto, cómo capturan sus datos. Pero mucha gente sigue teniendo la falsa impresión de que la topografía fotogramétrica no ofrece una precisión absoluta cuando se trata de tierra desnuda.

Con los ajustes de filtro adecuados, como el filtrado de tierra desnuda de la Plataforma Propeller, puede obtener los datos que necesita y conservar las valiosas imágenes de un levantamiento fotogramétrico si la cubierta vegetal no es extremadamente densa.

Lidar produce una imagen similar a una nube de puntos, mientras que la fotogrametría utiliza fotos del lugar real para crear un modelo visual en 3D del terreno real.

Precisión: fotogrametría frente a LIDAR

Como hemos visto, la fotogrametría y el LIDAR aéreo difieren en la forma en que se registran los puntos sobre el terreno. Esto afecta directamente a la precisión final de la nube de puntos y veremos que, especialmente en lo que respecta a la precisión horizontal de las zonas libres de dosel forestal denso, la fotogrametría supera claramente al LIDAR aéreo.

Fotogrametría

En el caso de la fotogrametría, una cámara de calidad, alta resolución y sensor de fotograma completo como la Sony RX1R II de WingtraOne puede producir resultados con precisiones horizontales (x-y) del orden de 1 cm (0,4 in) y precisiones de elevación (z) del orden de 2 a 3 cm (0,8 a 1,2 in) sobre superficies duras, lo que permite un análisis volumétrico preciso.

Hay que tener en cuenta, sin embargo, que para lograr ese rendimiento la carga útil utilizada para la fotogrametría debe ser profesional, con el sensor de imagen y el objetivo adecuados para captar más detalles. No se trata sólo del número de píxeles. De hecho, dos cámaras con el mismo número de megapíxeles y sensores de distinto tamaño proporcionan una calidad de imagen y una precisión diferentes.

La planificación adecuada de la misión y el posprocesamiento también son importantes para lograr una precisión óptima: una buena superposición entre las imágenes aumenta la precisión y proporciona una mejor corrección de errores en comparación con la dependencia total del método de georreferenciación directa utilizado en LIDAR. Un sistema de drones de gama alta con una planificación profesional de la misión y un flujo de trabajo de posprocesamiento ayudan a garantizar la captura de datos de calidad que generen resultados precisos.

LIDAR

En cuanto a los métodos LIDAR aéreos, el sensor no apunta a características específicas sobre el terreno, sino que dispara los haces a una frecuencia establecida en un patrón definido. Aunque la precisión horizontal de un único punto pueda ser mayor, la mejor precisión horizontal de un punto de interés sobre el terreno está limitada por la densidad de puntos.

El LIDAR aéreo tripulado puede proporcionar una densidad de puntos de hasta 50 pts/m2 y ofrece una precisión absoluta típica de 20 cm en horizontal y 10 cm en vertical si se vuela a una altura estándar de 2000 m AGL.

Al volar más bajo, el LIDAR de UAV ligero proporciona una mayor densidad de puntos que el LIDAR aéreo tripulado y puede lograr una mayor precisión a pesar de que el láser es menos potente. Montado en un multicóptero, la densidad de puntos y la precisión de la nube de puntos resultante pueden mejorarse volando bajo y despacio a expensas de una menor eficiencia.

En el caso del LIDAR en drones de ala fija, es posible una densidad de puntos de entre 50 y 200 pts/m2. Esto significa una medición cada ~ 10 cm, por lo que puede alcanzarse una precisión horizontal absoluta de unos 10 cm.

Además de la limitada precisión horizontal, la precisión de la nube de puntos derivada del LIDAR depende de la precisión del propio LIDAR y de la calidad del sistema INS (IMU y GNSS). Teniendo en cuenta todos los avances tecnológicos y las variables del sistema en este momento, la precisión absoluta típica que se puede esperar de un sistema LIDAR ligero en un dron de ala fija es de aproximadamente 10 cm en horizontal y 5 cm en vertical.

Otras especificaciones clave para comparar fotogrametría y LIDAR

• Cobertura: Tanto la fotogrametría como el LIDAR ligero UAV se basan en drones para capturar los datos. En estos casos, puede cubrir hasta 10 km2 por vuelo. Si trabaja con LIDAR aerotransportado clásico, puede cubrir hasta 1.000 km2 (400 mi2).
• Fotorrealismo: La fotogrametría ofrece resultados cartográficos fotorrealistas en forma de ortomosaicos, nubes de puntos y mallas texturizadas. Un gemelo digital real. Esto puede ser extremadamente útil para identificar y medir características, especialmente cuando la precisión es tan buena. El LIDAR ofrece una nube de puntos láser dispersa que da una idea general de las formas y contornos, pero no ofrece detalles contextuales. También se pueden colorear los datos LIDAR con datos RGB, pero se trata de un proceso más complicado, y seguirán faltando los detalles que se obtienen con la fotogrametría.
• Penetración foliar: Tanto en el caso del LIDAR como en el de la fotogrametría, los sensores no penetran a través de las hojas. Sin embargo, la naturaleza de ambos métodos permite que el LIDAR ofrezca información sobre el suelo en zonas densamente arboladas que presentan un dosel tupido. En concreto, los rayos láser caen sobre una zona boscosa, y algunos pueden alcanzar el suelo y rebotar hacia arriba. La fotogrametría, que se basa en fotografías, no ofrecerá tanta información en terrenos cubiertos de vegetación debido a la oscuridad y las sombras que crean las densas masas arbóreas. Tenga en cuenta que la fotogrametría ofrecerá información topográfica en zonas poco arboladas o en zonas boscosas que no presenten un dosel denso.
• Tiempo de procesamiento:
• El procesamiento fotogramétrico a resolución completa tarda varias horas (o días) en función del tamaño del proyecto. Si sólo se necesita un conjunto disperso de puntos de enlace precisos (como los de una fuente LIDAR), las herramientas de fotogrametría ofrecen opciones de procesamiento con muestreo reducido.
• Las nubes de puntos LIDAR se georreferencian directamente con posicionamiento cinemático en tiempo real (RTK) durante el vuelo, o mediante posicionamiento cinemático postprocesado (PPK) después del vuelo. Los pasos típicos del postprocesado incluyen ajustes de trayectoria, ajustes de franjas y filtrado de ruido, que son computacionalmente menos costosos que los ajustes fotográficos de la fotogrametría. Dependiendo del tamaño del proyecto, el proceso dura desde menos de una hora (proyectos pequeños con drones LIDAR ligeros) hasta varios días (grandes proyectos con LIDAR aéreos tripulados).

Cuándo utilizar lidar o fotogrametría

Como toda tecnología, el lidar tiene casos de uso para los que es especialmente adecuado. Si se está topografiando un terreno con vegetación densa en el que los pulsos de luz pueden penetrar entre ramas y hojas, el lidar proporciona una gran precisión vertical.

Esta es una ventaja significativa sobre la fotogrametría, ya que la topografía fotogramétrica sólo producirá una alta precisión vertical cuando haya poca vegetación en el lugar. Aunque el lidar tiene limitaciones similares, puede penetrar en zonas con hasta un 90% de vegetación en buenas condiciones. (La fotogrametría se sitúa más cerca del 60%).

Si trabaja constantemente en lugares con una vegetación superior al 60% y dispone de su propio software de procesamiento y de alguien que lo ejecute, el lidar puede ser una inversión rentable para su empresa.

Como puede imaginar, todas estas capacidades hacen del lidar una solución fantástica para la industria forestal. Allí, tiene la doble ventaja de cartografiar una vegetación más densa y grandes extensiones de árboles. También es estupendo para realizar amplios estudios a escala de cuencas hidrográficas desde un avión.

Pero cuando se trata de las necesidades topográficas más amplias de los sectores de la construcción, la minería y los áridos, la fotogrametría es la solución más asequible, con una gran precisión y una facilidad de uso que se adapta a la mayoría de los equipos.