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Nuvens de pontos: Diferenças entre LiDAR e fotogrametria

09/May/2022 10:49


Miniatura de imagen. Acre

Nuvens de pontos. Os dois métodos principais para criar uma nuvem de pontos a partir de dados de veículos aéreos não tripulados, LiDAR e fotogrametria, têm cada um a sua utilização ideal. Em alguns casos, é possível acabar por utilizar ambos os métodos para o mesmo projecto. Neste artigo analisamos quais são as diferenças de cada processo e como podem ser utilizados para completar um projecto único.

Nuvens de pontos: LiDAR e Fotogrametria

As empresas que fazem mapeamentos com frequência em zonas complexas e com vegetação tendem a optar pelo LiDAR, enquanto as que se preocupam com linhas de visão claras necessitam de uma solução de custo menor, podem começar pela fotogrametria, mas a decisão não pode ser reduzida a uma ou duas questões. Comparar as tecnologias lado a lado é um exercício útil quando é hora de decidir como equipar os veículos aéreos não tripulados.

 

L1 Render

LiDAR para drone DJI Zenmuse L1

O Zenmuse L1 integra um módulo Livox Lidar, uma IMU de alta precisão e uma câmara com um CMOS de 1 pulgada num gimbal estabilizado de 3 eixos. Quando se utiliza com o Matrice 300 RTK e DJI Terra, o L1 forma uma solução completa que oferece dados 3D em tempo real durante todo o dia, captando de forma eficiente os detalhes de estruturas complexas e entregando modelos reconstruidos de alta precisão.

 

Nuvem de pontos com LiDAR

A digitalização LiDAR implica frequentes impulsos laser que rebatem no sensor. Utilizando a medição inercial e os dados de posicionamento por satélite, o sensor LiDAR do drone determina exactamente em que lugar do espaço se encontra um ponto.

Os pontos recolhidos são convertidos numa nuvem de pontos LiDAR gerada com um software especializado em nuvens de pontos. É um método de digitalização de grande precisão, embora seja necessário combinar com outros dados para adicionar mais detalhes aos mapas, incluindo cor.

O LiDAR é ideal para cartografiar elementos demasiado pequenos para serem detectados por outros métodos. Por exemplo, se necessita de cartografar cabos finos ou linhas eléctricas como parte da sua nuvem de pontos, poderá fazer recolhendo dados LiDAR. A tecnologia também funciona em condições de pouca luz e pode chegar ao solo através de camadas de folhas.

Além disso, dado que as nuvens de pontos LiDAR são medições directas, o tamanho dos arquivos é relativamente menor em comparação com as fotografias de alta resolução utilizadas para a fotogrametria. Isto significa que o pós-processamento dos dados LiDAR é mais rápido que a extracção de nuvens de pontos a partir de modelos de fotogrametria, o que pode ser um factor importante para os utilizadores que dão prioridade à eficiência ou que têm missões sensíveis.

Dado que o software LiDAR baseado em nuvem é menos comum que as ferramentas de fotogrametria, o processo real de compilação de dados brutos numa nuvem de pontos pode requerer uma pessoa no local com formação técnica. Os custos também podem ser maiores, incluindo a necessidade de drones mais potentes para transportar os sensores especializados.

 

 

matrice-300Drone DJI Matrice 300 RTK

O Matrice 300 RTK aumenta a autonomia de voo até 55 minutos, com um alcançe de transmissão de vídeo de 15 kilómetros, e incluí vários sensores, como os térmicos. Está desenhado para aplicações profissionais como segurança e resgate, construção, inspecção industrial e eficiência energética.

As vantagens do LiDAR

O aspecto mais positivo referido no uso de LiDAR para a cartografia é a precisão da tecnologia. No entanto, esta afirmação por si só não nos dá muita margem de manobra.

Em primeiro lugar, é importante considerar o que significa a precisão para si e para o seu projecto. Dá prioridade à precisão relativa ou absoluta? por outras palavras, preocupa-o que o seu produto final seja preciso em termos das suas características em relação a outros, ou das suas características em relação com o seu lugar no mundo?

O LiDAR é o método mais adequado para obter uma precisão absoluta e costuma ser a melhor opção quando o objectivo é obter um modelo de terra realista. É o melhor método para ter em conta a elevação, a vegetação e as condições existentes.

A integração do LiDAR com os dados GNSS e o facto de ser uma medida directa, disparando milhares de pulsos de laser de cima, garantem que o mapa digital do terreno final tenha uma precisão vertical extrema.

As complicações topográficas não vêm apenas na forma de ondulações no terreno. A vegetação também pode impedir que os métodos de topografia baseados em fotos obtenham dados granulares ao nível do solo.

Os pulsos de luz LiDAR penetram nas lacunas entre folhas e galhos, chegando ao solo e melhorando a precisão das medições.

O LiDAR também é preferível se as condições de luz do local de trabalho são inconsistentes. Se desejar realizar estudos nocturnos ou missões de baixa visibilidade, o LiDAR cumpre a tarefa sem necessidade de uma fonte de luz externa.

Por último, o LiDAR permite a captação de detalhes de pequeno diâmetro. Um grande exemplo disso são os cabos eléctricos. Graças à amostra pontual de alta densidade e abordagem de medição directa, pode utilizar o LiDAR para cartografar com precisão.

 

Os contras do LiDAR

O mais evidente quando se trabalha com LiDAR é o seu custo. Devido a uma maior complexidade operativa (e à necessidade de componentes e sensores mais sofisticados), é fácil gastar muito numa solução topográfica completa.

Esta complexidade também aumenta a margem de erro e aumenta a dependência de um profissional com experiência. Com múltiplos sensores e informação que não se pode aceder fácilmente sem uma boa quantidade de processamento, a extracção dos dados que necessita não é simples.

Também é importante ter em conta que tradicionalmente os sensores LiDAR têm sido mais volumosos do que as câmaras simples. Dado que os drones são cada vez mais populares para a topografia aérea, a necessidade de um drone maior para manusear uma carga útil mais pesada pode adicionar um gasto significativo.

A última desvantagem de escolher LiDAR é possivelmente a sua maior força: O facto de ser a melhor ferramenta de trabalho em situações muito específicas. Para muitas aplicações, a fotogrametria normal é suficiente. É uma tendência que está a ganhar força à medida que melhora o software de processamento de imagens.

 

Nuvem de pontos com fotogrametria

A fotogrametria monta projecções de dados a partir de fotografias. É uma abordagem acessível e simples para a topografia e cartografia, e o software necessário para trabalhar com os dados da fotogrametria está disponível através de um modelo simples baseado na nuvem.

O uso da fotogrametria é flexível. Pode decidir a rapidez a que voa o drone, em função do nível de detalhe necessário para os mapas ou nuvens de pontos 3D gerados para o projecto em questão.

Dependendo do nível de detalhe que se opte e tamanho da área que se está a inspeccionar, a câmara UAV vai tirar centenas ou milhares de fotos. Estas imagens têm cor e, para além de se converterem em nuvens de pontos 3D, podem ser montadas num mapa ou modelo 3D.

Como a fotogrametria é baseada em fotografia, necessita de uma fonte de luz para que funcione, seja natural ou artificial. A facilidade de uso geral do método pode compensar o inconveniente de procurar as condições adequadas. As barreiras de entrada relativamente baixas podem fazer com que seja um grande método inicial para uma empresa que acaba de começar a fazer nuvens de pontos 3D ou outros modelos de dados.

 

As vantagens da fotogrametria

A principal vantagem de trabalhar com fotogrametria é a sua acessibilidade. O auge da tecnologia de drones e de software de cartografia veio simplificar os fluxos de trabalho e colocou mapas precisos e modelos 3D ao alcance de qualquer organização que tenha um drone com câmara decente.

Além da calibração da câmara, planificação básica de voo e traçado dos pontos de controlo em terra, conduzir uma missão de cartografia e converter esses dados em algo útil é relativamente simples. Existem inumeráveis cenários em que este processo produz resultados tangíveis, em sectores tão variados como a construção, a conservação, mineração e a agricultura.

E o mais importante, os resultados são acessíveis. Os mapas e modelos com características e cores reconhecíveis são intuitivos, o que os torna numa grande ferramenta de colaboração com a qual os interessados podem trabalhar sem dedicar demasiado tempo à manipulação de dados.

Outra grande parte da atração da fotogrametria é o lado acessível. Como já dissemos, para começar é preciso investir um valor significativo num drone com câmara profissional e muito menos no software necessário para processar os dados.

Por último, a fotogrametria oferece um foco mais flexível. Dependendo da tarefa a realizar, pode ter mais controlo sobre o equilibrio entre a velocidade da missão, a altitude e a precisão.

Os contras da fotogrametria

Os métodos de topografia baseados em fotogrametria têm algumas desvantagens. O primeiro é que a precisão dos mapas e modelos depende em grande parte da qualidade da câmara e do próprio drone.

O tamanho do sensor, a abertura, a resolução e a distância focal influenciam a distância de amostra do solo (GSD), junto com a altitude a que se voa. Além disso, custa produzir resultados com uma precisão absoluta se não utilizar vários pontos de controlo em terra ou num drone habilitado para RTK ou PPK.

O segundo desafio para as ambições de fotogrametria é o clima. Ou, para ser mais específico, as condições de luz. A escuridão, nebulosidade, poeira e outros factores podem afectar negativamente a qualidade dos resultados de medição.

Quando se trata de processar dados, só se pode medir o que se vê com claridade. Isto significa que os voos com visibilidade limitada, seja pela vegetação, sombras ou hora do dia, produz menos pontos de terreno e mapas e modelos menos precisos.

 

 

Usos da modelação de nuvem de pontos

Uma vez geradas as nuvens de pontos 3D, para que são usadas? Os casos de uso variam em função do sector, mas todos estão centrados na necessidade de ter modelos 3D precisos.

    • Inspecção eléctrica: O levantamento de novas infraestructuras de serviços públicos é mais simples e rápido quando as equipas têm acesso a drones e podem criar nuvens de pontos 3D das zonas em questão. Isto pode ser especialmente útil para activos como as linhas eléctricas construidas em zonas remotas onde as equipas teriam problemas para inspeccionar a pé.
    • Construção de petróleo e gás: Tal como as empresas eléctricas, as refinarias de petróleo e gás muitas vezes requerem informações precisas em 3D sobre grandes áreas, em lugares remotos. Este é outro cenário em que os drones poden funcionar de uma forma mais eficaz do que as equipas de topografía no terreno.
    • Topografia: Os utilizadores interessados em obter rápidamente mapas topográficos detalhados de zonas beneficiam se as nuvens de pontos 3D forem geradas através do uso de drones. A combinação da rapidez de medição de grandes áreas e a alta precisão é ideal para a topografia.
    • Silvicultura: O LiDAR pode penetrar em densa folhagem e proporcionar dados de superfície que não se conseguia resolver com fotogrametria.

 

Uma vez determinado um bom caso de uso para uma nuvem de pontos 3D precisa, só tem que encontrar o drone e a carga útil de recompilação de informação adequados para as circunstâncias.

 

ACRE pioneiros em aplicações profissionais com drones desde 2011

Na ACRE temos sido pioneiros e precursores da tecnologia drone. Os nossos Clientes começaram a utilizar drones para aplicações profissionais desde 2011. Temos desenvolvido uma experiência e conhecimento que nos posicionam como a principal empresa de distribuição de drones para aplicações profissionais. Na actualidade somos Distribuidores Oficiais DJI Enterprise.

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