[Captura de datos para la obtención de topografía mediante sistema

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[Captura de datos para la
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obtención de topografía
mediante sistema LiDAR
Montado en helicóptero]
Contacto: Alejandro Gómez
e-mail:
alejandrogomez@insica.es
Tel.:
+34927290233
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CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA
1. Sistema LiDAR aerotransportado
2. Descripción detallada del sistema
2.1. Equipo aerotransportado
2.1.1. Láser
2.1.2. INS (Inertial Navigation System)
2.1.3. Vídeos
2.1.4. Cámaras Fotográficas
2.2. Equipo terrestre
3. Tipo de aeronave a utilizar
4. Características del vuelo
5. Precisión de las medidas en x,y,z
Captura de datos para la obtención de topografía mediante sistema LiDAR
6. Productos a entregar
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CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA
La presente documentación describe los equipos empleados por INSICA y sus
características.
1. Sistema LiDAR aerotransportado
Imagen 1 Sistema INSICA montado en Helicóptero
2. Descripción detallada del sistema
El FLI-MAP (Fast Laser Imaging – Mapping Airborne Platform) es un sistema LiDAR
montado en helicóptero diseñado para adquirir información del terreno y orientado
especialmente a la captación de largos corredores.
Integra varios componentes como son el láser (LiDAR), cámaras fotográficas y cámaras
de vídeo, obteniendo una herramienta de medición e interpretación de gran capacidad.
La gran densidad de puntos y la alta precisión de los datos del sistema FLI-MAP
combinado con la cobertura fotográfica del pasillo medido, permite cartografiar los
objetos existentes en el terreno, obtener Modelos del Terreno y determinar con gran
precisión la altura de los obstáculos o cruzamientos.
Captura de datos para la obtención de topografía mediante sistema LiDAR
El sistema LiDAR aerotransportado es un sistema que utiliza una técnica de barrido
óptico con pulsos láser para recoger información del terreno. El sistema escáner láser
genera coordenadas tridimensionales de millones de puntos sobre la superficie terrestre
en un corto período de tiempo.
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Imagen 2 Operación con el sistema LiDAR
En el sistema FLI-MAP se pueden diferenciar dos partes principales, el equipo
aerotransportado y el equipo de tierra. Ambos son esenciales para llevar a cabo el
trabajo de forma correcta.
2.1. Equipo aerotransportado
El equipo aerotransportado consiste en una estructura que se acopla a la parte inferior
del helicóptero, un ordenador central y monitores en la cabina.
La estructura acoplada a la parte inferior del helicóptero consta de tres partes, que son el
armazón y las dos antenas. En la figura a continuación se muestra el esquema de la
estructura montada.
Captura de datos para la obtención de topografía mediante sistema LiDAR
Un paquete informático de procesamiento (FLIP 7) proporciona diferentes filtros y
funcionalidades de CAD para aplicar sobre los millones de puntos láser. Dicho software
permite la sincronización total de las imágenes de vídeo y fotografías, proporcionando
capacidades adicionales al operador en la extracción de información valiosa a partir de
los datos láser.
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Ilustración 3 Diseño del sistema LiDAR
El armazón contiene todos los sensores, los cuales están conectados al ordenador central
ubicado en la cabina del helicóptero.
El ordenador central registra los datos captados, calculando la información de
navegación en tiempo real y proporcionando “feedback” al piloto en la trayectoria de
vuelo.
Todo el sistema lo controla un operador usando un ordenador portátil conectado al
ordenador central. El operador dispone de un software avanzado con el que va
comprobando que se recubre la zona que debe ser captada. Además en dos pantallas de
vídeo observa las imágenes obtenidas por las cámaras.
2.1.1. Láser
El sistema FLI-MAP utiliza un láser escáner de 150 kHz de frecuencia para asegurar la
precisión y calidad de los datos. El láser obtiene 1.000 mediciones por cada escaneo y
tiene un ángulo de barrido de 60º.
El láser escanea a una velocidad de 150 veces por segundo, dando como resultado más
de 150.000 puntos por segundo.
Cada registro del escáner contiene el instante en que se hizo la medición, la orientación
del láser, información sobre la verificación de datos y detección de errores e
información sobre la intensidad de la señal.
Según la Clasificación de láser UNE EN 60825-1 /A2-2002, este láser es Clase 1:
“Productos láser que son seguros en todas las condiciones de utilización razonablemente
previsibles, incluyendo el uso de instrumentos ópticos en visión directa”. Por lo tanto no
es necesario tomar medidas especiales durante el vuelo.
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Como todos los sensores se sitúan dentro de una estructura rígida, todas las distancias
entre los sensores son fijas. Estas distancias se calibran cuidadosamente, haciendo
mediciones adicionales tras el montaje del equipo.
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Imagen 4 Puntos LiDAR obtenidos de una zona urbana con color real y color según altura
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2.1.2. INS (Inertial Navigation System)
Los principales componentes del INS (Inertial Navigation System) o sistema de
navegación inercial, son el IMU (Inertial Measurement Unit) o unidad de medición
inercial, un receptor GPS y una unidad de procesamiento. El sistema FLI-MAP utiliza el
POS AV (Position and Orientation System – Airborne Vehicles), sistema de
posicionamiento y orientación para vehículos aerotransportados de APPLANIX.
La unidad IMU mide la rotación en los tres ejes espaciales (Roll, Pitch y Heading) así
como las velocidades y aceleraciones en las tres dimensiones, utilizando la combinación
de giroscopios y acelerómetros. La unidad se instala solidariamente en la parte superior
del emisor láser.
Las mediciones del IMU y del GPS son utilizadas por el procesador para calcular con
precisión la posición, velocidad y orientación del helicóptero. Posteriormente
proporcionará el archivo POS EO, de orientación externa (External Orientation).
2.1.3. Vídeos
El sistema incorpora dos cámaras de vídeo digital fijas, para identificar elementos del
pasillo objeto de medición.
Una cámara apunta hacia el frente con un ángulo de inclinación de 45º. La otra cámara
apunta hacia abajo mostrando aproximadamente el área cubierta por el láser.
Junto a las cámaras de vídeo se sitúan dos cámaras digitales de alta resolución, están
situadas una hacia abajo y la otra con una inclinación de 45º.
Ambas cámaras se configuran para capturar imágenes a intervalos regulares.
Normalmente se tomará una imagen cada 2 segundos, pero se puede ajustar a otras
especificaciones.
Las imágenes se almacenan en formato comprimido en discos duros y se pueden
ortorrectificar en gabinete. Usando esas imágenes ortorrectificadas se pueden construir
mosaicos con el software FLIP7, o con otro software.
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2.1.4. Cámaras Fotográficas
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Imagen 5 Puntos LiDAR, Fotografías y Vídeos
El equipo terrestre consiste en varias estaciones base y ordenadores de procesamiento.
Las estaciones base contienen una antena y un receptor GPS, batería y registro de datos.
Durante las mediciones las estaciones registrarán datos GPS desde puntos de referencia
de coordenadas conocidas (vértices geodésicos).
Los ordenadores de procesamiento se usarán para comprobar y hacer copias de
seguridad de todos los datos recogidos, tanto por las estaciones base como por el
sistema aerotransportado, para interpretar los cálculos de la línea base GPS y la
integración IMU/GPS, y para analizar la calidad de los datos adquiridos.
Para mantener gran precisión en el posicionamiento absoluto del sistema
aerotransportado, se realiza un post-procesamiento de los datos GPS del helicóptero y
de las estaciones base.
Junto a la antena GPS, se sitúa otra antena Omnistar, que proporciona precisión
submétrica para correcciones en tiempo real de GPS Diferencial. Usando la señal
Omnistar, FLI-MAP puede navegar a lo largo de una línea predefinida,
independientemente de la disponibilidad del servicio local de GPS Diferencial o de
conexiones de radio a las estaciones base.
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2.2. Equipo terrestre
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3. Tipo de aeronave a utilizar
El sistema FLI – MAP está certificado en todo el mundo por la American Federal
Aviation Authorities en 5 tipos de helicópteros diferentes: de la marca Bell el Jet
Ranger y el Long Ranger, de la marca Eurocopter los modelos AS 350 y AS 355, y de
Mc Donald – Douglas el MD 500.
A los mandos de la aeronave se encontrará un piloto experimentado en trabajos con el
sistema y en tierra un mecánico encargado del mantenimiento del aparato y de las
labores logísticas para el abastecimiento de combustible.
4. Características del vuelo
Se realizará un vuelo con especificaciones según las necesidades de cada cliente. En la
tabla a continuación podemos ver las propiedades obtenidas según las características del
vuelo (Extraída de otra tabla al final de este documento).
PROPIEDADES DEL SISTEMA
1xVIDEO
PÍXEL
ANCHO DE
VÍDEO
CÁMARA
FOTOGRÁFICA
DENSIDAD DE
PUNTOS
120 m
175 m
225 m
350 m
102 m
153 m
200 m
316 m
8 cm
12 cm
15 cm
24 cm
41 m
64 m
85 m
138 m
PÍXEL
ANCHO DE
FOTO
3,2 cm
4 cm
6 cm
9,3 cm
92 m
139 m
181 m
287 m
A 80 km/h
48 puntos/m2
33 puntos/m2
25 puntos/m2
16
puntos/m2
5. Precisión de las medidas en x,y,z
La precisión relativa de las mediciones realizadas con el sistema FLI-MAP es muy alta,
del orden de 1,5 cm en X, Y, Z, 1 sigma.
La precisión absoluta, dependerá de la utilización o no de estaciones base
Con estaciones base: 4 cm en Z y unos 7 cm en X, Y.
Sin estaciones base: aproximadamente 20 cm.
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LÁSER
ALTITUD DE
VUELO
ANCHO DE
LÁSER
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6. Productos a entregar
Los productos variarán según el tipo de trabajo a realizar, pero para un proyecto de una
nueva línea eléctrica, podemos desglosar un listado básico de elementos entregables:
Cartografía 2D: Datos de planimetría digital en 2D (X, Y) del terreno en el área
captada en formato DXF a escala, representando los obstáculos y cruzamientos.
Límites de carreteras
Líneas eléctricas de Alta y Media Tensión
Límites de ríos
Edificios
Árboles
Vallados y lindero
Raíles
Modelo Digital del Terreno (MDT): Entrega de un modelo en formato X, Y, Z del
MDT del área captada en el vuelo.
Cartografía 3D: Obtención la cartografía digital de Líneas Eléctricas, Carreteras,
caminos y ríos en 3D.
Fotografías: Ficheros con fotografías de alta resolución para la obtención de detalles,
realizadas durante el vuelo con orientación frontal y cenital, entregadas en DVD o disco
duro portátil.
Viewer: aplicación sencilla de visualización de las instalaciones en fotografías de alta
resolución e imágenes de vídeo que permiten comprobar la situación actual.
Planta y perfil: en formato digital a escala con los cruzamientos representados en
altura.
Captura de datos para la obtención de topografía mediante sistema LiDAR
Vídeos: Ficheros AVI de los vídeos tomados durante el vuelo de las cámaras orientadas
hacia abajo y al frente, entregados en DVD o disco duro portátil.
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Contacto: Alejandro Gómez
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