LIDAR vs Fotogrametria: quina tecnologia és millor?

El blog d’Aerial Insights fa una exhaustiva anàlisi de les dues tecnologies de captació d’informació aèria més habituals en treballs amb drons.

Notícia original completa a Aerial Insights.

12 de setembre 2019 – No queden gaires dubtes sobre la conveniència d’utilitzar drons per a l’obtenció d’informació aèria en treballs de topografia y cartografia. Amb aquest tipus d’aeronaus no tripulades és possible obtenir reconstruccions del terreny d’alta qualitat, en temps molt curts i amb despeses tremendament competitives. Aerial Insights té força experiència al respecte i sovint ens arriben dubtes molt concrets.

Quin tipus de sensor és el més adequat para cada missió de captura de dades? La resposta dependrà del tipus de fenomen que cal detectar. En agricultura de precisió, els sensors multispectrals són els més habituals. En inspecció industrial, els tèrmics triomfen. En el cas de la topografia, no queda tan clar, però hi ha dos competidors clars: càmeres RGB i sensors LIDAR.

En aquest article revisem els avantatges i inconvenients de cadascun. Després de llegir aquest post tindràs una idea clara de quin és el més adequat en cada situació. Nota per als més impacients: el “guanyador” depèn del cas en què s’apliqui.

Què és la tecnologia LIDAR?

Els sensors LIDAR no són nous, si bé és cert que han guanyat popularitat en els últims anys. En realitat es tracta d’una tecnologia que va aparèixer en els anys 70 en els laboratoris de la NASA.

LIDAR són les sigles de “Laser Imaging Detection and Ranging”, una tècnica de teledetecció òptica mitjançant la qual podem determinar la distància des d’un emissor fins a un objecte.

Aquests sistemes emeten feixos de raigs làser. Cadascun d’aquests raigs viatja per l’aire, impacta en un objecte i el reflex és detectat per un receptor present en el sensor. La qüestió fonamental és que aquests dispositius són capaços de mesurar el temps invertit en el trajecte d’anada i tornada, de tal manera que és possible calcular la distància real existent entre els dos punts. Sabent la direcció en la qual va ser emès aquest llamp, la distància recorreguda i repetint el procés moltes vegades, un LIDAR és capaç de generar un núvol de punts molt dens que s’ajusta perfectament a l’entorn que escanejat.

Ja podeu intuir diversos avantatges d’aquest tipus de sensor: 1) genera reconstruccions completes de l’entorn visible des del sensor, 2) genera milers de mesures per segon de forma precisa i sense necessitat de postprocessats complexos.

Aquí podeu trobar el seu principal inconvenient: aquesta mena de tecnologia no ha arribat a una situació de disponibilitat universal i la competència entre fabricants és limitada. És probable que això canviï aviat amb l’arribada dels cotxes autònoms que “entenen el seu entorn” gràcies a aquest tipus de sensors, però de moment, els preus segueixen sent comparativament alts.

Actualment és possible adquirir LIDARs de dimensions reduïdes que poden ser embarcats en drons i que combinen altres tecnologies que permeten georeferenciar els resultats: unitats de mesura inercials (IMU), GNSS, RTK, etc. Aquests elements acostumen a estar orientats a millorar la precisió de les captures.

I la principal diferència entre LIDAR i fotogrametria?

Com ja es va explicar en aquest article, la tècnica de la fotogrametria consisteix a reconstruir el terreny a partir de fotografies aèries. Es tracta d’un procés complex en el qual, a partir de múltiples imatges bidimensionals que contenen punts de vista alternatius de cada objecte, es pot reconstruir informació tridimensional. A partir d’aquestes reconstruccions és possible generar ortofotografies, mapes d’elevació, núvols de punts i altres derivats.

Núvol de punts generat mitjançant mètodes fotogramètrics i càmeres RGB

Aquí rau una de les principals diferències: la tecnologia LIDAR genera directament núvols de punts, mentre que la fotogrametria requereix processaments que a vegades poden trigar hores o dies. Si bé tots dos mètodes són sensibles a la qualitat de les dades capturades (polsos làser o fotos), aquest és un factor molt més crític en el cas de la fotogrametria.

Quins són els avantatges del LIDAR?

  • La tecnologia LIDAR no requereix bones condicions de llum per poder recopilar punts. El sensor emet la seva pròpia energia, amb la qual pot capturar punts tant de dia com de nit.
  • Els sistemes LIDAR són capaços d’oferir una densitat de punts molt alta. Per exemple, dispositius comercials de gamma mitjana són capaços de generar entre 300 i 1000 punts per metre quadrat.
  • LIDAR és capaç de reconstruir elements fins com cables i línies elèctriques.
  • Són equips amb productivitats molt altes, ja que requereixen menys superposició de línies de vol (20% -30%). A més, cada “passada” del dron sol abastar una amplada més gran que amb les càmeres més habituals. Una regla fàcil és considerar l’amplada com el doble de l’alçada de vol.
  • En general, cada punt mesurat genera una coordenada més precisa que l’equivalent amb mètodes fotogramètrics.
  • Molt important: El làser té certa capacitat de penetració, de manera que és possible obtenir models digitals que poden, per exemple, ignorar la vegetació. En aquest cas, el “nombre de polsos” que emet el sensor determina quants rebots és possible detectar en una direcció concreta.
  • El cost dels sensors és molt més elevat en el cas dels LIDAR. Els més bàsics poden costar desenes de milers d’euros.
  • El processament de les dades obtingudes és més lleuger, tot i que és igualment especialitzat.
  • No tots els LIDAR són capaços de reconstruir l’aspecte visible dels objectes, de manera que en alguns casos només està disponible el núvol de punts sense pintar.

Núvol de punts generat amb LIDAR: un utilitari generat amb 1.2 milions de punts

I quins inconvenients?

  • La principal barrera d’entrada a l’ús del LIDAR és el seu preu. No és estrany que un sistema LIDAR amb un dron capaç de carregar, més bateries suficients, més el programari de processament costi, tot plegat, entre els 30.000 € i 250.000 €. D’altra banda, per utilitzar tècniques fotogramètriques RGB només és necessària la càmera, que en la majoria de casos ve de sèrie amb el dron.
  • Són equips una mica més sensibles al maltractament que les càmeres tradicionals, de manera que cal anticipar cert manteniment i calibratges periòdics.
  • Les tècniques fotogramètriques poden igualar tant les densitats de punt com la precisió d’aquests, però cal una planificació de missions i processament posterior extremadament minuciosa.
  • En el millor cas, ambdues tecnologies ofereixen resultats semblants: ortofotos, núvol de punts, models digitals de terreny i reconstruccions 3D. En un cas, ho fa després de, processament; en l’altre, de forma directa.
  • Amb fotogrametria s’obtenen reconstruccions RGB en les quals cada píxel té assignat el color que correspon a la realitat, mentre que amb LIDAR els punts són monocromàtics (sense RGB). Aquesta limitació es pot eliminar adaptant una càmera RGB al dispositiu.

Un detall del núvol anterior. La distància entre punts es manté al voltant dels 5mm.

La tecnologia LIDAR pot arribar a substituir a la fotogrametria?

Depèn del cas. La fotogrametria amb drons segueix sent un dels mètodes més econòmics i efectius per a la recopilació de dades aèries. En tot cas, s’han de fer diverses preguntes fonamentals a l’hora de decidir-se entre un mètode o l’altre:

  • Necessites modelar el terreny en zones boscoses denses? Si és així, LIDAR és clarament el guanyador. Si aquestes zones boscoses apareixen en forma de pegats entre els quals hi ha terreny visible, la fotogrametria segueix sent una opció viable.
  • Necessites capturar una extensió gran (milers d’hectàrees) i el temps/cost és un factor crític? Un escàner làser serà més productiu per jornada, però també més car de desplaçar. Segons la nostra experiència, és possible capturar àrees de 2000-3000 hectàrees amb una ala fixa en mitja setmana amb resolucions de 3-4 cm/píxel.
  • És la inversió un factor limitant? Si és així, fotogrametria és clarament una tecnologia més competitiva.
  • Necessites que cada punt estigui localitzat amb un marge d’error molt baix o bé els núvols han de ser extremadament densos? LIDAR és la teva preferència. Però compte, la precisió del LIDAR terrestre és més gran que l’aconseguida per sensors semblants embarcats en un dron en moviment.