BIGMONITOR: Seguimiento de Grandes Obras con Drones

Seguimiento de Grandes Obras con Drones

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 60)
Javier Peñafiel: Msc Ingeniero, BIGM Civil Engineers, S.L.
Serafín López-Cuervo: Dr. Ingeniero. Departamento de Ingeniería Cartográfica, Fotogrametría y Cartografía-ETSI. Universidad Politécnica de Madrid.
Jorge Zayas: BIGM Civil Engineer, S.L. Ingeniero Técnico.

En pocos años la utilización de drones para obtención de imágenes y su aplicación en el ámbito civil, han experimentado un crecimiento notable. Si bien esta tecnología suscita gran interés por lo que tiene de novedosa, el aprovechamiento de sus extraordinarios productos presenta dificultades. En este escenario BIGMONITOR (http://bigmonitor.bigm.es/) ofrece una plataforma web personalizada, sencilla, intuitiva, versátil, accesible desde cualquier dispositivo a través de internet, en todo momento y en cualquier lugar; capaz de presentar la información capturada con drones, e integrarla con otras fuentes de datos, satélites, aviones, Mobile mapping, laser escáner, etc.

BIGMONITOR: Seguimiento de Grandes Obras con Drones

Fig I: Imagen panorámica realizada con drone. (Septiembre de 2016)

Introducción

Viene siendo costumbre, en el ámbito de la construcción de grandes obras públicas y privadas, la realización periódica de reportajes fotográficos aéreos, a efectos de documentar la evolución de sus procesos constructivos. Desde que últimamente se ha extendido el uso civil de drones, en vez de avionetas convencionales, se vienen empleando estos nuevos dispositivos (Fig1).

Estos reportajes tienen utilidad. Sin embargo, al estado del arte, aplicando la tecnología disponible hoy en día en el ámbito civil, se puede ir mucho más lejos, empleando los drones para realizar vuelos fotogramétricos digitales, que con técnicas, tratamientos de imagen y procesos informáticos, se obtiene la georreferenciación en 3D de lo fotografiado con altas precisiones.

Material y Métodos

1.Planteamiento

El producto de los vuelos fotogramétricos digitales permite la superposición de imágenes, de forma que visualmente se puede tener una idea de la evolución de cada uno de los elementos de la obra, sobreponiendo reportajes realizados en distintos momentos de la construcción, lo cual ya es un avance frente a tener que interpretar en las fotos habituales qué es cada cosa, desde dónde están hechas, etc. Pero fácilmente se puede llegar mucho más lejos. Empleando técnicas de transparencia de imagen digital, la comparación se puede realizar con la definición gráfica del proyecto, con expropiaciones y Catastro, zonificación medioambiental, urbanismo, etc.

Además, gracias a que la información 3D generada es mensurable (Fig II), se pueden hacer mediciones, desde simples áreas, distancias y volúmenes, hasta cubicaciones complejas. La capacidad de generar modelos digitales del terreno MDT y nubes de puntos constituye además una fuente valiosa para alimentar a las aplicaciones de modelado, e integrarse en el propio proceso BIM.

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Fig II: Modelo 3D generada mediante datos de vuelo Drone.

Incorporando los productos de los vuelos fotogramétricos digitales, el proyecto, y demás información de obra, en un sistema de información geográfica, se pueden generar y asociar bases de datos, de manera que se permita diseñar y realizar consultas, obtener información selectiva derivada, parametrizar los distintos elementos de obra, incluir y mostrar información temporal, económica, etc.

El gran problema es la complejidad de flujos de trabajo y el manejo del gran volumen de datos que supone esto; requiriéndose personal experto, procesos complicados, equipos informáticos potentes, paquetes informáticos específicos costosos, etc. Así, lamentablemente, la información que suele llegar a los altos estamentos y centros de decisiones no suele pasar de unas fotografías impresas, o en el mejor de los casos unas imágenes digitales con superposiciones estáticas, desperdiciándose gran parte de sus posibilidades.

Con las funcionalidades descritas, BIGMONITOR (Fig II) ofrece una plataforma web sencilla, intuitiva, personalizable y versátil, que integra la información, haciéndola interpretable; accesible desde cualquier dispositivo a través de internet, en todo momento y en cualquier lugar.

2.Fotogrametría Digital

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. (H. Bonneval, 1972). La toma fotográfica típica empleada en fotogrametría (caso normal) es la llamada toma estereoscópica, que basándose en el mecanismo de la propia visión humana, permite la determinación posicional de los objetos en el espacio a partir de la reconstrucción proyectiva de 2 imágenes de los mismos simultáneas tomadas con cierta separación (solapadas), fusionándolas en un modelo tridimensional que reconstruye la realidad fotografiada. Con el desarrollo de la tecnología, el proceso fotogramétrico abandona paulatinamente las películas físicas y las técnicas analógicas para sumergirse en el mundo digital, en permanente evolución y mejora de sensores, algoritmos y potencia, así como velocidad de  procesos y  nuevos medios; democratizando su aplicación en infinidad de ámbitos más allá del cartográfico.

3.Sistemas de información geográfica, infraestructuras de datos espaciales y servidores web de mapas

La aparición de las llamadas tecnologías de la información (TI), y el considerable desarrollo que han experimentado, han influido en la práctica totalidad de las ciencias, haciéndolas evolucionar y transformándolas profundamente.

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Fig III: Ortofoto e informe de avance de obra desde plataforma UAV (GSD 3cm)

La cartografía es una de las que más se ha beneficiado de este hecho en muchos aspectos. Sus productos han avanzado desde el simple mapa físico, a lo que hoy conocemos como Sistema de Información Geográfica (SIG- GIS en inglés). Un SIG es un “modelo informatizado del mundo real, en un sistema de referencia ligado a la Tierra para satisfacer unas necesidades de información concretas”. (Burrough, 1986). El SIG dota a la representación cartográfica de interactividad, permite asociarle bases de datos de información adicional que trasciende a la geográfica, controla su integridad, propiciando la obtención de información derivada.

Tras los prolíficos desarrollos, difusión y aplicaciones de los SIG,  surge la necesidad de normalizar la captura de información, su formato, documentación, modo de almacenamiento y acceso. Surgen así a niveles regionales, nacionales e internacionales las Infraestructuras de Datos Espaciales (IDES), que mediante acuerdos institucionales definen, ordenan reglan, recolectan y ofrecen información geoespacial y asociada; ofreciéndola a los usuarios estandarizada para su uso y explotación.

Para permitir la compartición a través de Internet de la información geográfica, a partir de estándares convenidos internacionalmente en el consorcio OGC (Open Geospatial Consortium) se desarrolla WMS (Web Map Service) que consiste en un protocolo estándar capaz de servir imágenes georreferenciadas genereadas por un servidor de mapas a partir de información de un SIG.

4.Drones

Desde los inicios de la aeronáutica se han venido desarrollando aeronaves no tripulados, sirviendo de prototipos de prueba de naves pilotadas y sus sistemas, armamento a distancia; y blancos para entrenamiento, siendo este último uso de donde procede el término DRONE, entendido como “señuelo” en inglés.

A partir de los años 60 empezaron a emplearse para reconocimiento, incorporando cámaras fotográficas, experimentando un notable desarrollo a partir de ese momento con los avances de la tecnología y su miniaturización, así como con la amplia experiencia operacional a raíz de su amplio uso en conflictos bélicos actuales.

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Fig IV: Drone multirrotor, utilizado para seguimiento de obras lineales

En la fecha actual, la inmensa mayoría de los RPAS (Remotely Piloted Aircraft Systems: Sistemas de Aeronaves Pilotadas a Distancia) son multirrotores, pues presentan ventajas relativas a las menores necesidades de espacio para despegue y aterrizaje, la mejor operación a baja velocidad, la mayor maniobrabilidad, etc. En contraposición, los drones de ala fija tienen más autonomía al volar más eficientemente y operan en un rango climático más amplio.

Los equipos empleados en tomas para procesado con fotogrametría digital embarcan una cámara de altas prestaciones, calibrada; y un sistema de posicionamiento por satélite GNSS que permite la navegación precisa del dron para obtener cobertura con seguridad de la zona de interés; así como la posición precisa de cada toma, en orden a determinar las coordenadas de los fotocentros, de cara al posterior proceso fotogramétrico digital.

5.Planificación y control de obra

La planificación y el control son herramientas imprescindibles para la consecución con éxito de la mayoría de las actividades humanas, entre ellas los proyectos y la ejecución de obras civiles. Habiendo sufrido la el sector de la construcción la necesidad de afrontar un aumento de la competencia, un mayor del nivel de exigencia y la disminución de los recursos financieros, es imprescindible afrontar con seriedad la gestión y dirección de las obras, a fin de no perder el control de los tiempos, los costes, los plazos, los beneficios y los flujos de caja. Las deficiencias en la planificación y control desembocan en incumplimientos de plazos, sobrecostes y merma de calidad. Por otro lado, la implantación progresiva de los procesos BIM (Building Information Modeling) en el sector, basados en el modelado virtual de lo que se va a construir, permiten anticiparse a determinadas circunstancias de la obra en las que no se suele reparar hasta que inevitablemente surgen en la ejecución, favoreciendo una más acertada planificación y evaluación de los proyectos, pero a  la hora de realizar el seguimiento son necesarias tecnologías que periódicamente capturen la realidad y la formateen de manera que sea comparable con los modelos virtuales de proyecto.

BIGMONITOR. Flujo de Trabajo

BIGMONITOR consiste en una plataforma WEB que gestiona información con propiedades geográficas y espaciales, así como bases de datos asociadas, en el ámbito de los sistemas de información geográfica (SIG) y las infraestructuras de datos espaciales (IDE). Dispone además de herramientas que permiten la visualización selectiva, la superposición, la presentación en 3D, la consulta de elementos y la elaboración de informes, conforme a una versátil personalización en función de las necesidades de cada proyecto, y los requerimientos del cliente.

Inicialmente se da de alta el proyecto, definiéndose el ámbito geográfico, incorporándose la información cartográfica disponible, previa a la ejecución de la obra. A continuación se carga la información geométrica del proyecto inicial, bien en soporte CAD o en modelado BIM; se realiza la subdivisión en entidades de obra, obras elementales u operaciones de coste, en las que el cliente ha decidido subdividir la ejecución; y se definen las bases de datos en las que incorporar en el futuro la información de seguimiento relevante.

A medida que la obra evoluciona, se realizan vuelos con dron de seguimiento, que se procesan e incorporan al proyecto en BIGMONITOR, y se alimentan las bases de datos con información.

En cualquier momento, desde cualquier dispositivo que tenga acceso a internet, los usuarios pueden acceder a la plataforma BIGMONITOR, pudiendo visualizar el estado de la obra en cada una de las etapas mediante imágenes reales, correctamente georreferenciadas; permitiéndose superposiciones de cada etapa con otras anteriores, con el proyecto inicial, modificados, otras fuentes de información geográfica: catastrales, urbanísticas, medioambientales; se dispone de herramientas de realce, transparencia; se pueden realizar mediciones de distancias, desniveles, áreas, cubicaciones, etc. Activando las funcionalidades de base de datos, se puede consultar información actualizada de cada entidad de obra, obra elemental u operación de coste, a la vez que se visualiza la imagen real del estado de ejecución. Los accesos a la información son jerarquizados conforme a niveles de seguridad elegibles; y su extensión escalable en función de las necesidades del cliente y totalmente personalizable.

Caso de los datos procedentes del Vertedero y calculados con BigMonitor:

Volúmenes extraídos desde el inicio (Datos Lidar IGN) y comparados con los extraídos desde el vuelo Dron de Octubre 2016 (Fig III y IV. Cálculo y Seguimiento de acopios en un vertedero de material extraído de un túnel excavado por una tuneladora):

Total Volumen: 1.969.278 m3

Volumen de relleno: 1.791375 m3

Superficie zona de relleno: 5,51 ha

Volumen de extracción: 177.903 m3

Superficie zona de relleno: 15,10 ha

Al ser los vuelos fotográficos de las sucesivas etapas procesados con técnicas de fotogrametría digital, además de las imágenes georreferenciadas, se generan modelos digitales del terreno (MDT) procesables por los habituales programas de topografía de trazado y mediciones; y nubes de puntos integrables en los programas de modelado y seguimiento BIM.

Conclusiones

En definitiva BIGMONITOR es una herramienta que, bajo premisas de sencillez y claridad,  ofrece al usuario la potencia evocadora de la imagen real que se ve a través de los propios ojos, pero a vista de pájaro, de cada etapa de la construcción, sin perder la robustez geométrica, y complementada con la información relativa a la planificación y el control, propiciando la correcta evaluación de la marcha de las obras, la identificación de los problemas y la toma de decisiones a tiempo para atajarlos.

El cálculo de volúmenes o la extracción de datos durante el proceso de ejecución de la obra, dota al sistema de la interactividad necesaria para avanzar en el tratamiento dinámico que precisa este tipo de actuación. Nuevos métodos capaces de dotar del nivel de consulta en tiempo real desde cualquier dispositivo permiten una actualización de procedimientos y entran de lleno en las herramientas BIM que cada vez están más extendidas en la ingeniería.

Referencias
  • Aldo Dórea Mattos, Fernando González Fernández de Valderrama, (2014) “Métodos de planificación y control de obras”. ISBN: 978-84-291-3104-8 Ed. Reverté, 2014
  • Bonneval, H. “Photogrammetrie Generale # Tome 1. Enregistrement Photographique des Gerbes Perspectives. Collection Scientifique de L’IGN.
  • Bourrough, P. A.“Principles of Geographical Information System for Land Resources Assesment” 1986, OXFORD SCIENCE PUBLICATIONS (UK) 1ª edición.
  • Peñafiel J.(2015), “Fotogrametría con drones (aviones) sin puntos de apoyo” Mapping, ISSN 1131-9100,  págs. 56-59.
  • AA. “Los Drones y sus aplicaciones a la ingeniería civil”. Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid. Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid, 2015

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