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Ingeniería de Sistemas PROPUESTA PARA TRABAJO DE GRADO TÍTULO GENERACIÓN DE MODELOS DE ELEVACION DIGITAL A PARTIR DE IMÁGENES OBTENIDAS DESDE VEHÍCULOS AEREOS NO TRIPULADOS (UAVs) MODALIDAD APLICACIÓN PRÁCTICA OBJETIVO GENERAL Diseñar un método y una herramienta de software para generar modelos de elevación digital a partir de imágenes capturadas desde vehículos aéreos no tripulados (UAV). ESTUDIANTE(S) Erick Julián Coral Crespo __________________________________________ Documento CC. 1013638212 Celular 3183752612 Teléfono fijo 8040676 Correo Javeriano e.coral@javeriana.edu.co DIRECTOR Ing. Javier Francisco Lopez Parra __________________________________ Documento CC. 19.452.112 Celular 3005500041 Teléfono fijo 571-208320 ext 5315 Correo Javeriano jlopez@javeriana.edu.co; Empresa donde trabaja y cargo Pontificia Universidad Javeriana; Profesor Departamento de Sistemas 1 Ingeniería de Sistemas Contenido 1. DESCRIPCIÓN DE LA OPORTUNIDAD O PROBLEMÁTICA. .................................. 4 1.1 DESCRIPCIÓN DE LA OPORTUNIDAD O PROBLEMÁTICA........................................ 4 1.2 FORMULACIÓN. ................................................................................................... 4 1.3 JUSTIFICACIÓN. ......................................................................................................... 5 1.4 IMPACTO ESPERADO DEL PROYECTO ........................................................................ 6 2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO .................................................................................. 6 2.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................. 7 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................... 7 2.3 ENTREGABLES O RESULTADO ESPERADOS. ............................................................... 7 3. PROCESO ............................................................................................................ 8 3.1.1 PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN .................................................................. 8 3.1.2 MÉTODO .......................................................................................................... 8 3.1.3 ACTIVIDADES ................................................................................................... 8 3.1.3 RESULTADOS ESPERADOS ...................................................................................... 8 3.2 ESTUDIO Y EXPERIMENTACIÓN. .......................................................................... 9 3.2.1 MÉTODO .......................................................................................................... 9 3.2.2 ACTIVIDADES ................................................................................................... 9 3.2.3 RESULTADOS ESPERADOS .................................................................................... 10 3.3 DEFINICIÓN Y DEDUCCIÓN DE LOS RESULTADOS. .............................................. 10 3.3.1 MÉTODO ........................................................................................................ 10 3.3.2 ACTIVIDADES ................................................................................................. 10 3.3.3 RESULTADOS ESPERADOS .................................................................................... 11 3.4 INTERPRETACIÓN Y EXPLICACIÓN DE LOS RESULTADOS. ................................... 11 3.4.1 MÉTODO ........................................................................................................ 11 3.4.2 ACTIVIDADES ................................................................................................. 11 3.4.3 RESULTADOS ESPERADOS .................................................................................... 12 4. GESTIÓN DEL PROYECTO................................................................................. 12 4.1 CALENDARIZACIÓN................................................................................................. 13 4.2 PRESUPUESTO ......................................................................................................... 13 4.3 ANÁLISIS DE RIESGOS ............................................................................................. 14 1.4 COMPROMISO DE APOYO DE LA INSTITUCIÓN .................................................... 16 4.5 DERECHOS PATRIMONIALES ................................................................................... 17 5. MARCO TEÓRICO/ ESTADO DEL ARTE ............................................................ 18 5.1 FUNDAMENTOS Y CONCEPTOS RELEVANTES PARA EL PROYECTO. ...................... 18 5.2 TRABAJOS IMPORTANTES EN EL ÁREA. .............................................................. 20 5.3 GLOSARIO ............................................................................................................... 27 2 Ingeniería de Sistemas 6. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA ....................................................................... 29 6.1 REFERENCIAS.......................................................................................................... 29 6.2 BIBLIOGRAFÍA PROPUESTA PARA EL DESARROLLO DEL TRABAJO DE GRADO ......... 30 3 Ingeniería de Sistemas 1. Descripción de la Oportunidad o Problemática. 1.1 Descripción de la Oportunidad o Problemática Para la visualización de las condiciones de un terreno específico en tres dimensiones, se genera un modelo digital de elevación (DEM) a partir de las diferentes formas existentes para la captura de fotografías aéreas. Actualmente, los métodos más comunes para la captura son la fotografía aérea desde aviones o helicópteros, así como las fotografías proporcionadas mediante aparatos fotográficos situados sobre satélites o vehículos espaciales. [4] Los métodos utilizados para generar DEM, presentan diferentes problemas tales como: Problemas con cuadrículas de elevación de muestreo en el momento de interpolación y extrapolación de las imágenes utilizadas para la generación DEM.[7] El DEM que se genera en la actualidad, comúnmente, sufre de un gran número de problemas; incluyendo artefactos de grillado, artefactos de nivel, y desajustes con otras fuentes de datos como "sumideros" o depresiones de terreno. [7] Incertidumbre del DEM sobre los parámetros topográficos de un terreno. [7] Problemas con el cálculo de las coordenadas de objetos geográficos al momento de la captura de la imagen. [7] Existencia de zonas de sombras u oclusiones causadas por diferentes factores, sobre todo, en vuelos de escalas grandes. [7] Con todos los aspectos mencionados anteriormente, se puede encontrar una oportunidad para mejorar el proceso de generación de modelos de elevación digital por medio de los UAV (Vehículos Aéreos No Tripulados) [2], que permiten la captura de imágenes para representar un terreno de estudio. Este tipo de imágenes nos proveen información detallada de la localización de un objeto espacial en un sistema de coordenadas y datum determinado. 1.2 Formulación. Pregunta generadora. 4 Ingeniería de Sistemas ¿Cómo diseñar un método y una herramienta de software para generar modelos de elevación digital a partir de imágenes capturadas desde vehículos aéreos no tripulados (UAV)? 1.3 Justificación. Existe una oportunidad de realizar un método alternativo haciendo uso de tecnología nueva (UAVs) que generará grandes ventajas al momento de la generación del DEM, que ofrecerá un modelo más exacto, preciso y detallado de una superficie, apoyado por modelos matemáticos existentes que garanticen las características mencionadas anteriormente. Conociendo la morfología de un terreno al igual que el contexto y atributos que se encuentran relacionados con campo de estudio con una mayor precisión y detalle, reduciendo el sesgo de incertidumbre en la realización del modelo. [5] “Actualmente se ha encontrado múltiples utilidades en diferentes áreas, una de estas es la geodesia y la fotogrametría en la cual el principal propósito es generar modelos de alta calidad para aplicarlos en la cartografía de terrenos, como una fuente fiable e integra de mediciones de terrenos con una alta precisión”. [3] El beneficio que generan los modelos de elevación digital, proveniente a partir de la información proporcionada por los UAVs, está presente en las siguientes áreas en las cuales brinda nuevas herramientas aplicables en pro del conocimiento específico correspondiente, así como los profesionales relacionados con los mismos: Geodesia y fotogrametría. Ingeniería civil. Manejo y planeación de recursos ambientales. Ciencias de la tierra. Aplicaciones militares. Aplicaciones cartográficas. [1] 5 Ingeniería de Sistemas 1.4 Impacto Esperado del Proyecto El impacto esperado de la propuesta de trabajo de grado, es comprobar que la solución propuesta cumple, con el diseño un método soportado por herramientas de software para generar modelos de elevación digital a partir de imágenes, proporcionadas por vehículos aéreos no tripulados (UAV). Que genere beneficio alguno en las diferentes áreas de estudio, mencionadas en la sección de justificación, ya que se espera que el método ofrezca una representación más exacta de un caso de estudio el cual se pueda generar su respectivo modelo de elevación digital, a partir de la captura de las imágenes realizadas por el UAV. Se espera un impacto más pronunciado en la generación de beneficios en los temas de recursos y procesos ambientales, ya que se encuentran estrechamente relacionadas con su modelado, así como la gran variedad aplicaciones actuales en donde se encuentren temas demográficos de por medio. 2. Descripción del Proyecto 6 Ingeniería de Sistemas 2.1 Objetivo General 1. Diseñar un método y una herramienta de software para generar modelos de elevación digital a partir de imágenes capturadas desde vehículos aéreos no tripulados (UAV). 2.2 Objetivos Específicos 1. Explorar conceptos y experiencias acerca de diversos métodos para generación de modelos de elevación digital DEM. 2. Analizar las variables internas y externas que influyen en la elevación digital, basados en imágenes capturadas por UAVs. producción de modelos de 3. Diseñar un método y una herramienta de software para generar modelos de elevación digital con base a las imágenes capturadas desde vehículos aéreos no tripulados (UAV). 4. Verificar la funcionalidad del método y del software, a partir de la realización de pruebas en un proyecto piloto. 2.3 Entregables o Resultado Esperados. El resultado esperado al finalizar el Trabajo de Grado, es un método para producir un modelo de elevación digital a partir de imágenes capturadas por UAVs. Este método estará soportado por una herramienta de software que será construida o adaptada, según las necesidades propias del método propuesto. 7 Ingeniería de Sistemas 3. Proceso 3.1.1 Planteamiento de la solución Analizar el problema para lograr una clara comprensión del contexto en el que se desarrolla la problemática para obtener soluciones congruentes que satisfagan la razón de la situación a resolver. 3.1.2 Método Investigar e integrar todos los conceptos relacionados con construcción de modelos de elevación digital de manera que se realice una búsqueda completa de la información útil y correspondiente con el tema, diferenciando entre la teoría actual y los antecedentes del tópico. La contextualización de la problemática contribuye a la ampliación de los conceptos relacionados con la investigación, realizando una base de datos apoyada en herramientas utilizadas previamente que permitan realizar cronogramas de la información obtenida, que será indispensable, ya que se convierte en una fuente de consulta importante para la creación de la solución. 3.1.3 Actividades ACTIVIDAD 1 2 3 4 DEFINICIÓN Explorar marco teórico en generación de modelos de elevación digital. Explorar marco teórico de modelos matemáticos relacionados con la solución. Explorar marco teórico correspondiente a la iniciativa de la NASA proyecto ASTER. Diseñar método para georreferenciar y construir modelos de elevación digital a partir de imágenes UAVs. 3.1.3 Resultados Esperados Completa orientación de la manera como se desarrollara el estudio correspondiente de la investigación ya que se tiene acceso a los antecedentes y contexto actual. Así mismo generar ideas de cómo se han orientado estudios ya realizados en el tema y que características, así como métodos que se han llevado a cabo con éxito en el tema de construcción DEM , así como todo el tratamiento correspondiente que se le ha dado a los datos con los que se generan estos modelos. 8 Ingeniería de Sistemas Con esta fase se pretende proveer un marco de referencia para interpretar los resultados arrojados con la investigación y está relacionado con el cumplimiento del objetivo específico número uno y tres: Explorar conceptos de la situación actual relacionados con la generación de modelos de elevación digital DEM, a partir de imágenes proporcionadas por UAVs. Diseñar un método y una herramienta de software para georreferenciar y generar modelos de elevación digital en base de fotografías capturadas desde vehículos aéreos no tripulados (UAV). 3.2 Estudio y Experimentación. Se utilizan instrumentos que permitan recopilar información ligada al marco teórico del problema de manera que se pueda tener un contexto claro sin alterar la esencia de la solución. Por parte de la experimentación, se puede alterar la esencia de la solución propuesta, con el fin de obtener resultados que son consecuencia de las variaciones que se le realice a la solución con la finalidad de poder diseñar modelos, o sugerir posibles adaptaciones que puedan servir hacia futuro en una posible contribución a una solución más completa. 3.2.1 Método Realizar experimentos funcionales para comprobar el método propuesto para georreferenciar y construir modelos de elevación digital. Registrando todas las observaciones, comportamientos y datos en detalle producto de las pruebas realizadas. 3.2.2 Actividades ACTIVIDAD 1 2 3 DEFINICION Planeación de las pruebas a realizar para georreferenciar y generar modelos de elevación digital, a partir de la zona de estudio. Variar las condiciones de los experimentos con el fin de la obtención de datos, en diferentes condiciones al momento de la generación del DEM. Registrar datos obtenidos por la experimentación, con la respectiva variación de los indicadores en cada experimento. 9 Ingeniería de Sistemas 3.2.3 Resultados Esperados Observar los efectos de los experimentos utilizados para la generación del modelo de elevación digital concentrándose en detalle de las consecuencias positivas y negativas que se obtuvieron al momento de los experimentos realizados en la solución del problema. En busca del cumplimiento parcial del objetivo número dos, ya que no se puede completar porque en esta etapa se busca la obtención de los datos arrojados por los experimentos, más no su análisis respectivo: Analizar las variables internas y externas que influyen en producción de DEM, basadas en imágenes proporcionadas por UAVs. 3.3 Definición y Deducción de los resultados. Se ordena y clasifica la información, mostrando los resultados de la investigación en gráficos y técnicas estadísticas con el propósito de hacerlos comprensibles y tienen que estar orientados a probar la solución propuesta. 3.3.1 Método Se utilizara el método de análisis cualitativo con el que se examinara con detalle los datos arrojados por la fase anterior. Realizando un cuestionamiento inductivo de los datos arrojados por la experimentación e investigación. También se utilizara para complementar el análisis de los datos con el método cuantitativo. Utilizando números para generar estadísticas que se puedan utilizar para hacer medible los resultados de los experimentos realizados. Con estos resultados se puede generar un conocimiento deductivo de la información arrojada. 3.3.2 Actividades ACTIVIDAD 1 DEFINICION Analizar el momento de la captura de imágenes para georreferenciar a partir de los UAV. 10 Ingeniería de Sistemas 2 Analizar los indicadores de vuelo UAV, que interfieran en generación del DEM. Poner el método diseñado a prueba, con herramientas de software y realizando pruebas en un proyecto piloto. 3 3.3.3 Resultados Esperados Del respectivo análisis científico basado en los experimentos realizados y el soporte de las herramientas de software, se espera comprobar que la solución propuesta, cumple con la razón de la problemática que se está investigando. En busca del cumplimiento completo del objetivo específico numero dos: Analizar las variables internas y externas que influyen en producción de DEM, basadas en imágenes proporcionadas por UAVs. 3.4 Interpretación y Explicación de los resultados. Se ordena y clasifica la información, mostrando los resultados de la investigación en gráficos y técnicas estadísticas con el propósito de hacerlos comprensibles y tienen que estar orientados a probar la solución propuesta. 3.4.1 Método Correcta interpretación de los datos y su respectivo análisis generado en la fase anterior, apoyado en el conocimiento inductivo generado por el método cualitativo, para tratar darle una explicación a la generación de modelos de elevación digital a partir de UAV. Para poder formular conclusiones acerca de la problemática, que verifiquen la solución propuesta con anterioridad y generar la validez del método propuesto. 3.4.2 Actividades ACTIVIDAD DEFINICION 11 Ingeniería de Sistemas 1 2 3 Elaboración hoja de registro verificación. Verificar Cumplimiento Objetivos. Generación de Conclusiones. 3.4.3 Resultados Esperados Verificar el método soportado por herramienta de software para generar modelos de elevación digital a partir de imágenes, proporcionadas por vehículos aéreos no tripulados (UAV), para formular ideas generales que sirvan como conclusiones del trabajo de grado. En cumplimiento del objetivo específico numero 4: Verificar la funcionalidad del método y del software, a partir de la realización de pruebas en un proyecto piloto. 4. Gestión del Proyecto 12 Ingeniería de Sistemas 4.1 Calendarización SEMANA/ACTIVIDADES 1 2 FASE 1 3 4 1 2 FASE2 3 4 1 2 FASE3 3 4 5 6 1 2 FASE4 3 4 5 6 TOTAL 1 7 7 7 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 28 2 7 7 7 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 28 3 6,25 6,25 6,25 6,25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 25 4 7,5 7,5 7,5 7,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30 1 0 0 0 0 10 10 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30 2 0 0 0 0 15 20 15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 3 0 0 0 0 10 15 15 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 50 1 0 0 0 0 0 0 0 0 17,5 17,5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 35 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 15 0 0 0 0 0 0 0 0 30 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20 20 0 0 0 0 0 0 40 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 14 14 0 0 0 0 28 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20 0 0 0 20 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 18 18 54 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 18 18 18 TOTAL 54 502 En la tabla se puede apreciar la calendarización del trabajo de grado que se compone de 18 semanas de trabajo que empiezan el 12 de enero de 2015, de manera que se comienza a elaborar la tesis de grado 2 semanas antes del inicio del primer semestre del 2015 y finaliza el 15 de mayo del 2015. En la última casilla de la tabla se aprecia el total de horas que se destinan según la actividad y la fase a la que corresponde, para un total de 502 horas de trabajo. Los resultados arrojados por el cronograma generan como conclusión que existen semanas donde el trabajo es más arduo en cuanto a horas de trabajo dedicadas, para ver las actividades correspondientes (Ver Sección 3 Proceso.) Finalmente las fases del trabajo no tienen la misma cantidad de actividades designadas, así como el tiempo en semanas, apreciando una diferencia de 2 semanas más dedicadas a la fase 3 y fase 4 de gran importancia para el desarrollo del Trabajo de Grado. 4.2 Presupuesto El presupuesto de inversión para el trabajo de grado se encuentra representado en la siguiente tabla. 13 Ingeniería de Sistemas RECURSO PRECIO CANTIDAD TOTAL HP Compaq 6200 Pro Core i5 $ 1,627,662.96 COP 1 $ 1’627.662,96 Software Libre No requiere licencia alguna. 1 0 ASCTEC FIREFLY (UAV). EUR 7.664,09 1 $ 19’954.591,83 TRANSPORTE $1700 COP 180 $ 306.000 DIRECTOR TRABAJO DE GRADO $ 120.000 COP 40 $ 4’800.000 TRABAJO INDEPENDIENTE ESTUDIANTE $20.000 COP 502 $ 10’040.000 En la tabla correspondiente a la sección de presupuestos se encuentran 4 columnas donde está la descripción del recurso a utilizar, el precio de cada recurso, la cantidad a utilizar y el precio total generado. Para la obtención del precio correspondiente al UAV, se tuvo en cuenta el precio real por el que se hizo la adquisición del artículo con todos sus accesorios correspondientes. Así mismo para el cálculo de las horas de trabajo independiente a realizar por el estudiante se tuvo en cuenta el total de horas calculado (Ver Sección 4.1 Calendarización). 4.3 Análisis de Riesgos Para la realización de la matriz de riesgo se tienen en cuenta, un conjunto especifico de columnas que contienen los siguientes criterios y su descripción especifica. 14 Ingeniería de Sistemas RIESGO : Descripción del riesgo. PRIORIDAD / ORDEN: Número consecutivo obtenido según la columna Exposición. PROBABILIDAD: Probabilidad de ocurrencia de la condición del riesgo, entre 1% - 30% para bajo, 31% - 70% para medio y 71% - 100% para alto IMPACTO: Efecto de la consecuencia del riesgo, entre 1 - 3 para bajo; 4 - 7 para medio, 8 10 para alto y 100 para valoraciones catastróficas. EXPOSICIÓN: Se calcula multiplicando la Probabilidad por el Impacto y es usado como la base para ordenar y priorizar el riesgo. Riesgo Daño de UAV en ejecución de pruebas. Condición es inadecua das de Vuelo Toma de Fotografía Inadecua da No acceso a imágenes estereosc ópicas de la zona de estudio. Terreno de Estudio, no factible por condición Prioridad Probabilida Impacto Exposició / Orden d n 1 80% 100 80 6 50% 6 3 4 3 7 95% 10% 40% 8 100 3 Técnica de Mitigación Previo estudio del manejo del UAV y su funcionamiento. Realizando vuelos a baja altura para perfeccionar el dominio de la herramienta Estudio y planeamiento de vuelo acordando la fecha en la que se realizara, teniendo en cuenta los datos meteorológicos para el día acordado. 7,6 Pruebas a baja altura en la que se pueda capturar imágenes de prueba, y lograr experiencia en la adquisición de las mismas. 10 Realizar previa verificación en el sitio web del proyecto Aster que la zona de estudio se encuentre referenciada por imágenes estereoscópicas. 1,2 Realizar previo estudio del terreno de manera que cuente con diferentes niveles de altura, para la posterior generación del DEM. 15 Ingeniería de Sistemas es topográfic as. Mala generació n de imágenes estereosc ópicas Uso de Software, con licencias pagas. Resultado inadecua do, en ejecución de pruebas. 2 8 5 50% 5% 70% 100 2 10 50 Estudio previo para conocer la generación de las imágenes, y realizar ejercicios de practica para adquirir destrezas en el tema 0,1 Tener en cuenta en su totalidad antes de la realización de cualquier actividad el software necesario, de manera que se tiene que tener en cuenta esta planificación antes de la fase de implementación del DEM. 7 Realiza un plan para ejecución de pruebas, de manera que se tengan en cuenta las diferentes variables que pueden afectar la generación del DEM y poder realizar pruebas exitosas que eviten resultado inadecuados. 1.4 Compromiso de apoyo de la Institución Bogotá, 23 de mayo de 2014 Estudiante de Ingeniería de Sistemas Erick Julián Coral Crespo 16 Ingeniería de Sistemas Facultad de Ingeniería Pontificia Universidad Javeriana-Bogotá Por medio de la presente quiero manifestar el conocimiento de la propuesta de Trabajo de Grado presentada para la materia de Seminario Metodología de la Investigación. Por tal motivo yo Javier Francisco López Parra, con numero de cedula 19.452.112 de la ciudad de Bogotá. Me comprometo a apoyarlo con los recursos que necesite para el realizar y finalizar adecuadamente su propuesta de trabajo de grado, así como la dedicación del tiempo pertinente previamente planeado y estipulado para realizar las correspondientes asesorías, en busca del correcto desarrollo y realización de la propuesta. Por parte del estudiante se espera: Tener disposición de tiempo para llevar a cabo el proyecto y concluirlo Realizar las correcciones apoyadas por su Director de Trabajo de Grado. Comprometerse con el proyecto en tiempo y forma conjuntamente con su Director de Trabajo de Grado. Atentamente, Javier Francisco López Parra. Ing. Sistemas Universidad Nacional de Colombia Profesor de Planta Pontifica Universidad Javeriana 4.5 Derechos Patrimoniales La propiedad moral de la propuesta de grado pertenece al estudiante de ingeniería de sistemas Erick Julián Coral Crespo identificado con cedula de ciudadanía 1.013.638.212 de la ciudad de Bogotá, con el propósito de diseñar e implementar un método para geo-referenciar y generar modelos de elevación digital a partir de imágenes, proporcionadas por vehículos aéreos no tripulados (UAV). 17 Ingeniería de Sistemas El derecho patrimonial de la propuesta de trabajo de grado será conferido a la Universidad Pontificia Universidad Javeriana, para que pueda hacer uso del Trabajo de Grado. 5. Marco Teórico/ Estado del Arte 5.1 Fundamentos y conceptos relevantes para el proyecto. Son varios los conceptos relacionados con la propuesta de trabajo de grado los cuales serán presentados según el contexto en la realización de la propuesta, de manera que se abarquen en su totalidad y queden explícitamente relacionados con los logros buscados derivados de los mismos. Vehículo Aéreo No Tripulado “Estos vehículos aéreos, también llamados "drones", se pueden definir como un "vehículo sin tripulación reutilizable", capaz de mantener un nivel de vuelo controlado y sostenido, y propulsado por un motor de explosión o de reacción.” [9] 18 Ingeniería de Sistemas Al momento de la realización de la propuesta de trabajo de grado, uno de los principales recursos para su implementación es el UAV, el cual realiza las capturas de las imágenes para continuar con el desarrollo para la previa generación del modelo de elevación digital. Para la captura de las imágenes se tiene en cuenta la previa planeación del vuelo así como todos los factores relacionados internos y externos que puedan afectar el resultado esperado, ya que este se verá reflejado en el desarrollo de las fases siguientes. Fotogrametría “La técnica cuyo objeto es estudiar y definir con precisión la forma, dimensiones y posición en el espacio de un objeto cualquiera, utilizando esencialmente las medidas hechas sobre una o varias fotografías de ese objeto.” [10] Con esta definición realizada de fotogrametría, podemos relacionar el concepto de imagen estereoscópica ya que las imágenes obtenidas con la técnica descrita anteriormente apoyan directamente la elaboración del modelo de elevación digital correspondiente al lugar representado, el cual es realizado con la intersección de dos o más fotografías. Específicamente la técnica de fotogrametría es Aérea ya que la captura de la imagen se realiza a partir de los UAV. Estereoscopía La estereoscopía es una técnica de grabación y proyección, que genera en el espectador una sensación de profundidad tridimensional en imágenes fijas (Fotografías) entre otras. [11] Al solapar las imágenes resultantes de la zona de estudio, se produce la sensación de elevación debido a que estas imágenes son tomadas desde diferentes perspectivas, este resultado es crucial para la construcción DEM. Para la obtención de estas imágenes se necesita realizar un plan de vuelo adecuado de manera que se pueda cubrir todo el terreno de estudio. Imágenes Geo-Referenciadas “Consiste en asignar mediante cualquier medio técnico apropiado, una serie de coordenadas geográficas procedentes de una imagen de referencia conocida, a una imagen digital de destino. Estas coordenadas geográficas reemplazaran a las coordenadas graficas propias de una imagen digital en cada píxel, sin alterar ningún otro atributo de la imagen original.” [12] Este concepto es útil en Dem ya que se puede hacer una visualización más realista, en el sentido que se puede sobreponer en un mapa y obtener información con más detalle del 19 Ingeniería de Sistemas terreno a estudiar, así como generar diferentes usos y aplicaciones con ayuda de las herramientas que proveen los sistemas de información geográficos. Curvas de Nivel “En un mapa la altitud se indica mediante las curvas de nivel. Estas curvas son líneas que unen puntos con la misma altitud. Cada curva lleva asociado un número que representa la altura a la que se encuentra. El valor de ese número se denomina cota. Las curvas de nivel son equidistantes, esto significa que la distancia que hay entre curva y curva siempre es la misma.”[13] Las curvas de nivel tienen una relación muy estrecha con las imágenes geo-referenciadas ya que al generar una etiqueta en donde se representan las coordenadas y la altitud de cada pixel de la imagen, se puede realizar la unión de todos los puntos que posean la misma altitud de manera que así se puede realizar los trazos que corresponden a una curva de nivel determinada. Ya una vez obtenida la curva de nivel por medio de herramientas ya existentes se puede establecer que distancia se quiere entre cada una de estas para lograr una mayor precisión en el DEM. Modelo de Elevación Digital “Un modelo digital de elevación es una representación visual y matemática de los valores de altura con respecto al nivel medio del mar, que permite caracterizar las formas del relieve y los elementos u objetos presentes en el mismo. Estos valores están contenidos en un archivo de tipo raster con estructura regular, el cual se genera utilizando equipo de cómputo y software especializados.” [14] Este es el producto final esperado una vez acoplados los conceptos mencionados anteriormente. 5.2 Trabajos Importantes en el área. A continuación se presenta una tabla en la cual se presentan los trabajos más importantes en el área, y los criterios de evaluación que se caracterizan en la propuesta de trabajo de grado, en busca de conocer si otros trabajos de investigación tiene el mismo objetivo, o si presentan características que se encuentran implícitas en el trabajo de grado. 20 Ingeniería de Sistemas Siguiente a la tabla se presenta un resumen de las investigaciones encontradas, según el área de trabajo de la propuesta presentada. TRABAJOS IMPORTANTES EN EL AREA/ CRITERIOS DE EVALUACIÓN. Modelo de Elevación Digital ASTER. Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for Monitoring Soil Erosion in Morocco. Orthorectification and Digital Elevation Model (DEM) Generation Using Cartosat-1 Satellite Stereo Pair in Himalayan Terrain. A Sequential Aerial Triangulation Algorithm for Real-time Georeferencing of Image Sequences Acquired by an Airborne MultiSensor System A comparative analysis of different DEM interpolation methods. Photogrammetric mapping based on UAV Imagery. An Automated Technique for Generating Georectified Mosaics from Ultra-High Resolution Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Imagery, Based on Structure from Motion (SfM) Point Clouds Method for Automated Georeferencing and Integrating Printed Maps in GIS for Collecting Addresses Manejo Tecnica Propone Propone tecnica de Obtención Manejo UAV Captura Modelo Georreferenciacion DEM Fotográfica Matemático x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x De los artículos de investigación mencionados anteriormente cabe resaltar que el penúltimo artículo es el que se encuentra relacionado en mayor parte con el desarrollo de la propuesta de grado cumpliendo con los criterios de evaluación que provee el trabajo. Trabajan con el manejo de imágenes proporcionadas por medio de UAVs, siguiente a esto el manejo que se le debe dar al mosaico generado de un terreno de estudio en donde se aplica un modelo matemático en cuanto la rectificación de la imagen. Aunque se deja de lado el tema concerniente a la generación del modelo de elevación digital plus que se tiene en cuenta en la propuesta de trabajo de grado en busca que la herramienta con la que se produzca el DEM, este estrechamente relacionado con los temas anteriores y se de una mejor producción del resultado esperado. 21 Ingeniería de Sistemas MODELO DIGITAL DE ELEVACIÓN GLOBAL ASTER. “La NASA y el Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón (METI) han diseñado un nuevo mapa topográfico digital basado en las medidas recogidas por el instrumento radiométrico ASTER(Japón), que se encuentra a bordo del satélite TERRA (NASA). Este nuevo mapa obtiene la representación "más vasta y precisa" del mundo, abarcando un 99% de la superficie del planeta.” La finalidad del proyecto es construir con Modelo de Elevación Digital de toda la superficie terrestre, por medio de imágenes estereoscópicas, después de haber sido validada toda la información recolectada. El proyecto ASTER es de mucha ayuda para personas que necesitan disponer de información sobre la elevación del terreno, con muchas aplicaciones prácticas para la ingeniería, minería, energía, impacto y gestión ambiental, conservación de recursos naturales, geología, planeamiento urbano, entre otras. Aster provee al público de las imágenes estereoscópicas, recolectadas para la formación del Global DEM, donde se puede ubicar cualquier coordenada terrestre y descargar la respectiva imagen en formato TIFF Las imágenes que se obtienen una vez ubicado el lugar en formato TIFF son imágenes estereoscópicas y se puede ver de la siguiente manera: 22 Ingeniería de Sistemas [15] Unmanned Aerial Vehicle (UAV) for Monitoring Soil Erosion in Morocco. El artículo presenta una aplicación de teledetección ambiental utilizando un UAV que está dirigido específicamente a reducir la brecha entre los datos a escala de campo y la escala de satélites en la vigilancia de la erosión del suelo en Marruecos. Un tipo de aeronave de ala fija Sirius I (MAVinci, Alemania) equipado con un se emplea la cámara de sistema digital (Panasonic). El manejo UAV se llevan a cabo a través de diferentes sitios de estudio con diferentes extensiones y alturas que vuelan a fin de proporcionar tanto los datos específicos del lugar de muy alta resolución y un panorama general de resolución más baja, por lo que aprovechar al máximo el gran potencial de los elegidos UAV para fines cartográficos a escala múltiple. Dependiendo de la escala y cobertura de área, se utilizan dos enfoques diferentes para la georreferenciación, basado en alta precisión GCP o archivo de registro del UAV con valores de orientación exterior, respectivamente. El procesamiento de imágenes fotogramétricas permite la creación de digital Modelos del Terreno (MDT) y orto- mosaicos de imágenes con una resolución muy alta a nivel sub - decímetro. Los productos de datos creados se utilizaron para cuantificar barranco y tierra en erosión en 2D y 3D, así como para el análisis de las áreas de los alrededores y el desarrollo del paisaje para extensiones más grandes. [16] 23 Ingeniería de Sistemas Orthorectification and Digital Elevation Model (DEM) Generation Using Cartosat-1 Satellite Stereo Pair in Himalayan Terrain Los datos de alta resolución tienen desplazamiento en donde se encuentra alto relieve en terrenos montañosos. El Desarrollo del modelo de elevación digital ayuda a evaluar los recursos biológicos con mayor precisión en tales terrenos. Mientras que la estimación de los recursos biológicos en el terreno montañoso del Himalaya utiliza datos LISS - III multiespectrales de 23 m de resolución espacial, la necesidad de ortorectificacion de datos de satélite era necesaria para corregir las distancias espaciales debido a las altas laderas ondulantes. Por lo tanto, se generaron pares estéreo Cartosat basados en modelo de elevación digital (DEM), utilizando los coeficientes de los polinomios racionales (RPC) suministrados junto con los productos de los datos. Mediante el uso de la creación de la ortorectificacion DEM de LISS -III . Con el fin de evaluar la precisión de la posición orto rectificadas de los puntos de control de tierra LISS - III fueron seleccionados utilizando el Sistema de Posicionamiento Global en modo GPS diferencial. Como no hay variación en las distancias espaciales y la altura sobre algunos puntos , el GCP DEM corregido se utilizó para orto rectificación de Cartosat PAN y los datos LISS -III . Este artículo presenta el procedimiento seguido para orto rectificación y generación de modelos de elevación digital utilizando Cartosat usando pares estereoscópicos. El resultado del estudio indicó imágenes de alta resolución estéreo espaciales ayudaron a la generación de tres regiones montañosas tridimensionales con mayor precisión lo que ayuda en la estimación de los recursos biológicos usando LISS multiespectrales de datos III. [17] A Sequential Aerial Triangulation Algorithm for Real-time Georeferencing of Image Sequences Acquired by an Airborne Multi-Sensor System. En tiempo real la georreferenciación es esencial para la pronta generación de información espacial, como orto imágenes de la secuencia de imágenes adquiridas por un sistema multisensorial aéreo. Se basa sobre todo en la georreferenciación directa utilizando un sistema GPS / INS , pero su precisión es limitada por la calidad de los datos GPS / INS. Más resultados precisos pueden ser adquiridos mediante triangulación aérea tradicional (AT) en combinación con los datos GPS / INS, las cuales se pueden realizar sólo como un método de post - procesamiento debido a los requisitos computacionales intensos. En este estudio, se propone un algoritmo secuencial AT que puede producir resultados precisos comparables a los de la simultánea AT algoritmo en tiempo real. Cada vez que se añade una nueva imagen, el algoritmo propuesto realiza rápidamente AT con el cálculo mínima en la fase actual, usando los resultados de cálculo de la etapa anterior. Los resultados experimentales muestran que la georreferenciación de una secuencia de imágenes en cualquier etapa llevó menos de 0,1 s y su exactitud se determinó dentro de ± 5 cm en los puntos de tierra estimadas, que es comparable a los resultados de simultánea AT. Este algoritmo puede utilizarse 24 Ingeniería de Sistemas para aplicaciones que requieren imágenes en tiempo real de georreferenciación como el monitoreo de desastres y la navegación basada en imágenes. [18] A comparative analysis of different DEM interpolation methods. La visualización de las entidades geoespaciales con lleva generalmente modelos digitales de elevación (DEM) que son interpolados para establecer tres coordenadas dimensionales para terreno entero. La precisión del modelo del terreno generado depende del mecanismo de interpolación adoptado y, por tanto, es necesario investigar el rendimiento comparativo de los diferentes enfoques en este contexto. Las técnicas generales de interpolación a saber son Distancia Inversa Ponderada, Kriging, Topo a Raster, Vecino Natural y Splines, enfoques que se han comparado. También se investiga el DEM SRTM para el terreno de la India mediante la comparación con el SOI DEM. Los contornos que se generaron en diversos intervalos para el análisis comparativo encontraron SRTM como más adecuado. La sensibilidad del terreno de diversos métodos también se ha analizado con referencia a la zona de estudio. [19] Photogrammetric mapping based on UAV Imagery. Vehículos aéreos no tripulados (UAV) y Fotogrametría digital es una tecnología de mapeo áreapara arriba-hasta la fecha. Funciones implementadas son de bajo costo, móvil y simple. UAV con cámara digital montada (Canon S100) se utilizaron para la obtención de las imágenes, mientras que el procesamiento de la fotogrametría digital (con la aplicación de software de lisa) se aplicó para la recolección de datos cartográfica. La alta calidad de imágenes es un factor importante para la eficiencia y la calidad de los productos cartográficos, como modelo de elevación digital y Orto Imágenes. La calidad DEM depende principalmente de resolución de la cámara, la altura de vuelo y la precisión de los puntos de control terrestre (GCP). En investigaciones experimentales, coordenadas GCP fueron ganados de forma interactiva a través de Internet. La aplicación de la DEM adecuada comprobación técnica mostró que el error DEM fue de 0,5 mts. [20] An Automated Technique for Generating Georectified Mosaics from UltraHigh Resolution Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Imagery, Based on Structure from Motion (SfM) Point Clouds Los Vehículos aéreos no tripulados (UAV) son una nueva e interesante herramienta de teledetección capaz de adquirir datos espaciales de alta resolución. La teledetección con UAV tiene el potencial de proporcionar imágenes con una resolución espacial y temporal sin precedentes. El pequeño tamaño de las imágenes UAV, sin embargo, hace necesario el desarrollo 25 Ingeniería de Sistemas de técnicas automatizadas para corregir geométricamente y el mosaico de las imágenes de tal manera que las áreas más grandes pueden ser controladas. En este artículo se presenta una técnica para la corrección geométrica y mosaicos de UAV fotografía usando la coincidencia de función y estructura del Movimiento (SFM) técnicas fotogramétricas. Las imágenes se procesan para crear tres nubes de puntos tridimensionales, inicialmente en un espacio modelo arbitrario. Las nubes de puntos se transforman en un mundo real sistema de coordenadas utilizando una técnica de georreferenciación directa que utiliza posiciones estimadas de la cámara o por medio de una técnica de punto de control (GCP ) que utiliza GCP identificados automáticamente dentro de la nube de puntos. La nube de puntos se utiliza para generar un Modelo Digital del Terreno (DTM ) que se requieren para la rectificación de las imágenes. Imágenes georreferenciadas subsecuentes luego se unieron para formar un mosaico de la zona de estudio. La precisión espacial absoluta de la técnica directa se encontró que era 65120 cm, mientras que la técnica de GCP logra una precisión de aproximadamente 10-15 cm. [21] Method for Automated Georeferencing and Integrating Printed Maps in GIS for Collecting Addresses Abordar con eficiencia los sistemas depende de la calidad de las direcciones localizadores. Existen varios métodos para recoger datos. Las encuestas realizadas en el campo son esenciales: los mapas del GPS y pre- impresas se pueden utilizar para lograr este objetivo. Levantamientos GPS sobre el terreno pueden ser una solución, pero sigue siendo práctica sólo para áreas limitadas. Para asegurar una precisión aceptado, métodos GPS necesitan consideraciones especiales que son mucho tiempo y dinero. Para los localizadores de direcciones de Casablanca, se adoptó un enfoque alternativo para recoger 400 000 puntos. Se tomó dos meses, 200 operadores y 3.500 mapas impresos para cubrir un área de estudio de 1 , 226 km2. Este trabajo es el desarrollo de un enfoque optimizado basado en el procedimiento automatizado para la reintegración de los mapas impresos en un sistema de información geográfica (GIS). Se ahorra tiempo georreferenciación de 5 minutos a sólo unos segundos por documento. Se asegura, que es más importante, una precisión que es entre 20 cm a 1 m para escalas que son entre 1/500 y 1/ 2500. Se asegura la integración de mapas, independientemente de mapa base y coordina el sistema mediante la introducción de la noción de Código Georreferenciación (GC).[22] 26 Ingeniería de Sistemas 5.3 Glosario ASTER: ASTER (Espacial Avanzado de Emisiones y Reflexión Radiométricas) es un sensor japonés, que es uno de los cinco dispositivos sensoriales remotos a bordo del Terra satélite lanzado en órbita terrestre por la NASA en 1999. El instrumento ha estado recogiendo datos superficiales desde febrero de 2000. AT: La triangulación, en geometría aérea, es el uso de la trigonometría de triángulos para determinar posiciones de puntos, medidas de distancias o áreas de figuras. Bits: Bit es el acrónimo Binary digit (‘dígito binario’). Un bit es un dígito del sistema de numeración binario. Las unidades de almacenamiento tienen por símbolo bit. Cartografía: Arte de trazar mapas geográficos. DEM: (Digital elevation model), Un modelo digital de elevación es un modelo digital o representación 3D de la superficie de un terreno Estereoscópico: Mirando con ambos ojos, se ven dos imágenes de un objeto, que, al fundirse en una, producen una sensación de relieve por estar tomadas con un ángulo diferente para cada ojo. Fotogrametría: Procedimiento para obtener planos de grandes extensiones de terreno por medio de fotografías, tomadas generalmente desde una aeronave. FOV: (Field of View), Es el campo visual es el tamaño angular del panorama observado a través de los binoculares. Geodesia: Ciencia matemática que tiene por objeto determinar la figura y magnitud del globo terrestre o de gran parte de él, y construir los mapas correspondientes. Georreferenciación: Georreferenciación es un neologismo que refiere al posicionamiento con el que se define la localización de un objeto espacial en un sistema de coordenadas y datum determinado. Este proceso es utilizado frecuentemente en los Sistemas de Información Geográfica. GIS: (SIG o GIS, en su acrónimo inglés [Geographic Information System]) es una integración organizada de hardware, software y datos geográficos diseñada para capturar, almacenar, manipular, analizar y desplegar en todas sus formas la información geográficamente referenciada con el fin de resolver problemas complejos de planificación y de gestión. GPC: Puntos de control terrestres o GPS. GPS: El sistema de posicionamiento global o mejor conocida como: "El GPS asistido" es un sistema de posicionamiento por satélite. 27 Ingeniería de Sistemas GPS/INS: Es el uso de GPS señales de satélite para corregir o calibrar una solución a partir de un sistema de navegación inercial (INS). Sistemas de navegación inercial generalmente pueden proporcionar una solución precisa sólo por un corto período de tiempo. MDT: Un Modelo Digital de Terreno (MDT) es una estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de una variable cuantitativa y continúa. Imagen Multiespectral: Una imagen multiespectral consta de imágenes del mismo objeto tomadas con diferentes longitudes de onda electromagnética. Ortorectificacion: Proceso denominado rectificación diferencial, en el cual se eliminan los efectos de la inclinación y del desplazamiento por relieve, propios a las fotografías, y de la perspectiva que ésta genera. Proyección Geográfica: Una proyección geográfica es una fórmula matemática utilizada para representar la superficie redondeada y en tres dimensiones de la Tierra en un mapa plano de dos dimensiones. Raster: Una imagen en mapa de bits o imagen, es una estructura o fichero de datos que representa una rejilla rectangular de píxeles o puntos de color, denominada matriz, que se puede visualizar en un monitor. RPC: Coeficientes de Polinomios Racionales. Splines: En el subcampo matemático del análisis numérico, diferenciable definida en porciones mediante polinomios. un spline es una curva TIFF: TIFF es un formato de archivo informático para imágenes. Las etiquetas también describen el tipo de compresión aplicado a cada imagen, que puede ser: Sin compresión PackBits Compresión Huffman modificado, el mismo que las imágenes de fax. UAV: Un vehículo aéreo no tripulado UAV, por las siglas en inglés de Unmanned Aerial Vehicle, o sistema aéreo no tripulado, conocido en castellano por sus siglas como VANT y como drone, es una aeronave que vuela sin tripulación. 28 Ingeniería de Sistemas 6. Referencias y Bibliografía 6.1 Referencias 1. "Modelos Digitales de Elevación (MDE) - Descripción - Inegi." 2011. 14 Mar. 2014 <http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/datosrelieve/continental/queesmde.aspx> 2. "Introducción: Aviación autónoma no tripulada El... - Tu patrocinio." 2010. 14 Mar. 2014 <http://imagenes.tupatrocinio.com/imagenes/8/4/9/3/384931200715526749674967524 84569/preproyecto.pdf> 3. Sobrino, JAS. "INTRODUCCIÓN A LA FOTOGRAMETRÍA." 2010. ftp://ftp.unsj.edu.ar/agrimensura/Fotogrametria/Unidad6/Introduccion_a_la_Fotograme tria.pdf 4. "Generando Modelo Digital de Elevación - Principio." 2006. 14 Mar. 2014 <http://www.satimagingcorp.es/svc/dem.html> 5. "El Modelo Digital de Terreno (MDT)." 2006. <http://www.um.es/geograf/sigmur/sigpdf/temario_7.pdf> 14 Mar. 2014 29 Ingeniería de Sistemas 6. Diego Cerda Seguel (2008). «Tierra, Sentido y Territorio: La Ecuación Geosemántica». Consultado el 18-10-2010. 7. "Digital Elevatión Data." 2003. 21 Mar. 2014 <http://vterrain.org/Elevation/> 8. Gousie, MB. "Contours to digital elevation models - Computer Science." 1998. <http://cs.wheatonma.edu/~mgousie/thesis.pdf> 9. 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Pattathal Vijayakumar Arun , A comparative analysis of different DEM interpolation methods, Geodesy and Cartography Vol. 39, Iss. 4, 2013. 20. Tautvydas Berteška, Birutė Ruzgienė , Photogrammetric mapping based on UAV imagery,Geodesy and Cartography Vol. 39, Iss. 4, 2013 21. Turner, D. "Remote Sensing | Free Full-Text | An Automated Technique ..." 2012. <http://www.mdpi.com/2072-4292/4/5/1392> 22. "Method for Automated Georeferencing and Integrating ..." <http://www.scirp.org/journal/PaperInformation.aspx?PaperID=27922> 27 May. 2014 31