Fotogrametría con Drones para escaneo, medición y modelado 3D

Fotogrametría con Drones o UAS, UAV

Como resultado de la proliferación de la fotogrametría con Drones, conocidos también como UAS/UAV sistemas de aviones no tripulados / vehículos aéreos no tripulados; armados con cámaras livianas, se ha vuelto mucho más fácil capturar, escanear, medir y modelar en 3D desde el aire.

En primer lugar, en la técnica que se llama fotogrametría con Drones, lo más notable es que ya no se necesita contratar un avión para tomar fotografías aéreas o comprar costosas fotografías aéreas adquiridas con satelitales, de una área, para su proyecto fotogramétrico. Más bien, es que se puede tomar fotografías con el drone a varias alturas, con más flexibilidad, menos riesgo y un costo significativamente menor que un avión pilotado. La fotogrametría con Drones es ideal para áreas mucho mas grandes y objetos que son difíciles de capturar desde el suelo.

Además del Drone es necesario un software para hacer Fotogrametría con Drones

PhotoModeler es una herramienta de software para convertir fotografías en datos 3D precisos y útiles. Como resultado, las plataformas de cámaras que utilizan los drones, es muy accesibles, sobre todo, han abierto oportunidades para PhotoModeler en minería / geotécnica, escombreras, topografía y otros campos relacionados. La técnica que PhotoModeler utilizada en muchos de estos proyectos de fotogrametría con Drones se llama SmartMatch / DSM.

Obtener fotos aéreas de un sitio o escena, sin duda, nunca ha sido tan fácil. Por lo que una gran escena se puede fotografiar rápidamente, las fotos se pueden llevar a PhotoModeler y en breve, las fotos serán orientadas, generando un impresionante modelo 3D de superficie densa. PhotoModeler no es un paquete tradicional de fotogrametría aérea (como se usa típicamente en el mapeo topográfico de cámaras de mapeo aéreas especializadas o cámaras métricas), sin duda, es muy capaz de manejar fotografías de Drones de bajo vuelo desde cámaras digitales modernas.

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Pasos para crear Modelos con Fotogrametría con Drones

En primer lugar, este artículo muestra un ejemplo del mundo real que incluye los pasos para crear modelos 3D de superficie densa (DSM) precisos y además los pasos para medir un volumen a partir de fotos tomadas por una cámara montada en un Drone.

El proyecto de ejemplo que mostramos aquí, es una reserva de carbón. El proyecto consta de 189 fotos tomadas en 9 líneas de vuelo:

MineCamStns3DSmaller

Este Drone tiene una cámara integrada de 5 mega píxeles. La cámara se calibró en PhotoModeler primero como resultado del método de varias hojas (consulte los tutoriales de calibración), y luego se realizó la calibración de campo con PhotoModeler para ajustarla y por lo tanto hay que tener en cuenta la mayor distancia de enfoque de las fotografías aéreas.

El escenario

El sitio es de aproximadamente 24 hectáreas (425 mx 575 m). También el tema es ideal para DSM, con una fuerte «textura» al azar en toda la escena. Aquí hay una imagen de muestra:

Fotogrametría con Drones o UAS, UAV subjmatter

Fotografía

Las 189 fotos fueron tomadas en 9 lineas de vuelo, en un patrón de cuadrícula uniforme.

Camstns

Por lo tanto, este tipo de fotografía en consecuencia nos da una buena superposición, no solo con las fotos vecinas en la misma línea de vuelo, sino también con las fotos en las líneas de vuelo adyacentes. En el gráfico a continuación (haga clic en una imagen para ver una versión más grande) observe cómo la foto # 73 se superpone no solo con las fotos # 72 y # 74, sino también con # 84, # 85, # 86 y # 37, # 38 y # 39.

Fotogrametría con Drones o UAS, UAV overlap

PhotoModeler utiliza la concordancia automatizada y este tipo de superposición de fotos ayuda a reducir los desajustes, fortalece las concordancias, reduce el ruido y asegura un resultado bien definido.

Cuantificando la superposición

El posicionamiento de la cámara o la frecuencia de captura de la imagen dependerá , sin duda, de la velocidad del avión y de la distancia a la superficie. La siguiente tabla muestra la relación de base a altura para los pares de fotos, cuantificando la superposición:

# de Pares de fotosRelación Base : Altura
73-740.13
73-720.13
73-860.36
73-850.3
73-840.28
73-390.32
73-380.3
73-370.32

La relación Base : Altura es una medida de la superposición y la resistencia geométrica, donde «Base» es la distancia entre las posiciones de la cámara, y la «Altura» es la distancia promedio a la superficie. La cantidad de superposición de imágenes se ve afectada por las especificaciones de la cámara, así como el tamaño del formato y la distancia focal.

En general, se recomienda que las fotos se tomen con una relación Base: Altura de menos de 0,5 para garantizar una superposición adecuada y una geometría sólida para la coincidencia y la orientación. En este ejemplo, las relaciones son bajas, como resultado tenemos una buena geometría y una amplia superposición entre varios pares para la distancia focal dada.

Osea que la distancia entre dos fotos sea menor de la mitad del promedio de la altura entre ellas


Desenfoque por movimiento

Las imágenes también son muy nítidas, lo que ayuda con la detección y comparación de características. Si el drone volaba demasiado rápido, especialmente si se usa vídeo para la extracción por cuadros, habría un mayor riesgo de desenfoque por movimiento. El desenfoque puede causar ruido en el modelo ya que las características de la imagen son menos distintas y es más probable que ocurran errores de coincidencia de características.


Resolución de la imagen relativa a la altitud

Otra consideración es la resolución de la imagen relativa a la altitud. La desventaja es que, a una mayor altitud, se puede capturar más de la escena en menos fotos, pero con una resolución del suelo efectiva más baja. Tomar fotos desde una altitud más baja tendrá una resolución más alta sobre el terreno y generalmente permite un modelo más detallado, pero esto también significa que se requerirán más fotos para cubrir la escena, lo que aumenta el tiempo de procesamiento.


No existe una fórmula única aplicable a todos los proyectos, ya que dependerá de la resolución de la cámara, la composición del objeto / escena del modelo, la velocidad del drone, la altitud y los objetivos de precisión / detalle para el proyecto. Es mejor hacer algún tipo de experimentación o pruebas para determinar la mejor configuración para varias configuraciones de hardware y entornos.

En el proyecto de ejemplo, se tomaron fotos de 5 megapíxeles a una altitud de aproximadamente 80m, y las fotos se tomaron aproximadamente cada 25m en una línea de vuelo. Teniendo como resultado 189 fotos

Modelado y Procesamiento

Finalmente, después de la fotografía, el modelado y el procesamiento tienen lugar en el software PhotoModeler en una PC con Windows.

Las etapas de procesamiento son:

  • SmartMatch
  • Orientación
  • DSM
  • Triangulación
  • Medición

Por lo tanto, estas etapas se pueden ejecutar de forma independiente o, para facilitar su uso, un asistente ejecutará todas las etapas a la vez (excepto las mediciones) y podrá regresar a su PC con un proyecto completado.

SmartMatch y Orientación

Las 189 fotos se introdujeron en PhotoModeler y SmartMatch se ejecutó con éxito, como resultado se han orientando todas las fotos. Las formas azules son las posiciones de la cámara (el verde muestra la posición de la lente apuntando hacia el suelo):

SmartMatched

DSM

DSM (utilizando el algoritmo Multi-View Stereo o MVS) se ejecutó con la configuración predeterminada y creó una nube de puntos de casi 2 millones de puntos. Por lo que la nube de puntos estaba muy limpia y se recogieron buenos detalles:

point cloud

(2 millones de puntos de PhotoModeler DSM con color extraído para cada punto de las fotos)

Triangulación

La triangulación y la decimación se ejecutaron y generaron una malla de aproximadamente 240,000 triángulos:

Fotogrametría con Drones o UAS, UAV shadedandtexturedDSM

Configuración del sistema de coordenadas

Para vincular el proyecto de fotogrametría al mundo real, se definió un sistema de coordenadas y una escala. En este proyecto, se usaron siete puntos con posiciones 3D conocidas (GCPs Ground Control Points) y por lo que se importaron a PhotoModeler, se marcaron y se mencionaron en toda la escena. Se creó una transformación multipunto con estos puntos para escalar y orientar el modelo en un sistema de coordenadas del mundo real utilizando un ajuste óptimo:

multipoint transform

Medición

En el proyecto de muestra, había una serie de áreas de reservas (zonas con material extraído ya acumulado) que requerían medición de volumen. El sitio completo se modeló como una única PointMesh, por lo que la PointMesh completa se dividió como resultado en componentes de medición más pequeños utilizando el modo de edición de PointMesh. Ver el tutorial del modo de edición de PointMesh.

La malla de puntos aislada se selecciona con el panel de mediciones que muestra el volumen:

Fotogrametría con Drones o UAS, UAV volume measure

En consecuencia, el volumen de este componente llegó a un poco menos de 56.634,00 metros cúbicos. Por lo tanto, la medición del volumen se basa en una forma «sellada», donde PhotoModeler completa la parte inferior de la superficie utilizando una triangulación aproximada para hacer que la superficie sea sólida / impermeable. Esta medición de volumen es casi exacta, por lo que se prefiere una técnica de levantamiento estándar para definir un dato (en este caso, un plano) debajo del área de reserva.

Se podría utilizar la métrica «Volumen sobre el plano XY», pero el plano Z = 0 está muy por debajo del área de reserva, que tiene una base en la elevación de 595m sobre el nivel del mar. Por lo que podríamos usar un desplazamiento de plano (de 604.11m), pero un método más confiable es crear un ajuste de plano a los puntos del terreno alrededor del área de reserva.

Haciéndolo mas preciso

Se creó una nueva superficie de plano en la base del área de reserva, por lo que se calculó el volumen entre la superficie y el nuevo plano. Esto se hizo definiendo un plano basado en varios SmartPoints alrededor de la base de la superficie. El Visor 3D a la izquierda debajo muestra la nube de SmartPoint y la superficie de malla triangulada. Se seleccionaron varios SmartPoints alrededor de la base de la superficie y se definió un plano (menú Marcado, Herramientas de superficie, Crear el plano de mejor ajuste a partir de los objetos seleccionados), que se muestra en el Visor 3D de la derecha:

Plane Definers

Como resultado, cuando se seleccionan la superficie y el plano, el Panel de medición muestra un volumen entre las dos superficies, que proporciona la medición del volumen de la pila sobre la superficie de 54.425,00 metros cúbicos:

Fotogrametría con Drones o UAS, UAV volume between plane and surface

Conclusión

Los drones y la fotografía con drones es hoy más importante que nunca. PhotoModeler es una gran plataforma para hacer fotogrametría con drones y obtener mediciones, escaneos y modelos precisos de este tipo de fotografía. El artículo demostró un caso de uso de fotos de un Drone para capturar rápidamente una escena grande y para modelar el volumen exacto de una pila utilizando PhotoModeler. Con la ayuda de los drones con cámara montada y PhotoModeler, una tarea de medición compleja se puede simplificar enormemente, se realiza de manera rápida y es muy rentable.


Referencia:

Este Post es traducido del idioma ingles del Blog de la web de Photomodeler: UAS / UAV Photography for 3D Scanning, Measurement and Modeling


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2 comentarios en “Fotogrametría con Drones para escaneo, medición y modelado 3D”

  1. deseo el programa Photomodel para aplicar en la medición y trabajos de accidentologia vial… como hacer para conseguirlo con descuento o con alguna bonificacion ya que nuestra institución no nos aportara y sera una esfuerzo únicamente del personal que trabaja en criminalistica. Gracias por su tiempo y colaboracion. Saludos

    1. Ricardo Hernández

      Estimado Mariano, gracias por su interés y comentario. El Photomodeler existe en dos versiones una Estándar y otra Premium, la estándar sirve básicamente para medir y dibujar shapes, lines y puntos y llevarlos a un CAD. La versión Premium permite la generación de Mesh, Nubes de Puntos Densas y tiene las caracteristicas de la versión Estándar. La versión Estándar es mucho más económica que la Premium. Cualquiera de las dos se pueden conseguir por suscripción mensuales o anuales o licencias tipo permanentes. De igual forma existe precios especiales para entidades educativas y licencias tipo red para empresas.
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