ROVs para Modelado Fotogramétrico 3D

¿Qué es la Fotogrametría?

La fotogrametría se refiere al enfoque científico de la recopilación de datos físicos de objetos y su entorno. Este proceso se realiza a través de la interpretación de fotografías en base a superposición de imágenes y cálculos de paralaje. La paralaje estereoscópica se refiere al desplazamiento aparente en la posición de un objeto, con respecto a un marco de referencia, causado por un cambio en la posición de observación. Las diferencias en el paralaje de varios objetos de interés (llamado paralaje diferencial) se pueden usar para medir las alturas de los objetos y extraer información topográfica. (source).

¿Para qué se utiliza la fotogrametría?

Mapeo

El software específico puede usar la triangulación (el trazado y la medición de triángulos en una imagen para determinar las posiciones relativas y las distancias de los puntos) para crear mapas detallados a partir de fotografías aéreas. Una vez que se identifican figuras comunes entre dos o más imágenes aéreas, el proceso puede comenzar. A medida que las imágenes continúan, pieza por pieza, se puede producir un mapa superior que represente un área de superficie más grande, siempre que haya elementos comunes para usar como referencia entre las imágenes secuenciales. La fotogrametría en el mapeo se ha vuelto cada vez más común a medida que avanza la tecnología de drones aéreos. Las imágenes aéreas modernas son confiables, altamente precisas y producen resultados rápidos sin la topografía tradicional del terreno.

Arqueología

Ser capaz de usar imágenes para crear modelos 3D de estructuras complejas es extremadamente beneficioso en arqueología. El modelado de edificios históricos, estructuras dañadas o derrumbadas, catacumbas, artefactos, etc., proporciona a los arqueólogos información detallada sobre estos entornos. Estas grabaciones físicas actúan como un método para mantener registros, ya sea con fines históricos o para monitorear la degradación a lo largo del tiempo. Además, la creación de estos modelos digitales también permite compartir conocimientos en todo el mundo, proporcionando una solución económica para que los equipos de arqueología más pequeños puedan ver los hallazgos de forma remota.

Modelos de productos en 3D o recorridos por el hogar

A escala del consumidor, el modelado fotogramétrico 3D se usa comúnmente en las plataformas modernas de comercio electrónico. Los modelos 3D giratorios de 360 ​​grados permiten a los consumidores obtener una experiencia práctica con el producto; obtener una idea del tamaño, el contorno o las características internas desde la comodidad de sus hogares. Otra aplicación común para el consumidor es el recorrido de una casa en 3D. Como práctica cada vez más común para las publicaciones en línea de apartamentos o casas, estos recorridos se crean a través de escaneos fotogramétricos de los interiores de las casas. Una vez que se toman las imágenes desde diferentes ángulos, los agentes inmobiliarios pueden compilarlas en un modelo 3D de toda la casa para que los posibles compradores las "recorran".

¿Cómo mejoran los ROV el modelado fotogramétrico?

Al igual que los drones aéreos ayudan a mapear ubicaciones en tierra, los ROV son una herramienta eficaz para capturar imágenes confiables bajo el agua. En comparación con los equipos de buceo o los sistemas de vehículos no tripulados, los ROV tienen una excelente flexibilidad de navegación. Con algunas unidades operando con la energía de la batería, los trabajadores pueden desplegar el ROV desde prácticamente cualquier lugar, y los avances en el diseño y las capacidades de retención de la estación permiten obtener imágenes claras y consistentes. Esta solución robótica 'plug-and-play' permite que el trabajo comience casi instantáneamente y permite que el equipo de la parte superior tenga una visión continua de lo que ve el ROV.

Los beneficios adicionales incluyen la capacidad de integrarse con sonares de imágenes de alta frecuencia. En condiciones de baja visibilidad, las imágenes de la sonda se pueden superponer con imágenes o, en algunos casos, usarse solas para crear un modelo fotogramétrico.

Stantec utiliza ROV Deep Trekker para el modelado arqueológico en 3D

Los principales desafíos de la topografía submarina

- __Visibilidad del agua__
A diferencia del aire, que generalmente es claro para capturar fotografías, el agua está muy sujeta a la turbidez. La suciedad, los sedimentos, el crecimiento marino, etc, pueden compilarse para entornos de baja visibilidad. Esto es particularmente cierto para los ambientes de agua dulce poco profundos.

-__ Obstáculos de agua__
Además de los problemas de visibilidad, el agua también puede presentar peligros físicos considerables. Las temperaturas gélidas, las corrientes altas o los objetos peligrosos pueden hacer que sea extremadamente difícil o peligroso para los seres humanos ingresar al agua para inspeccionar.

- __Equipos de terceros__
Tradicionalmente, el método más común para fotografiar estructuras submarinas es contratar equipos de buceo. Estos buzos ingresan al agua, toman tantas imágenes como sea posible y vuelven a la superficie para comunicar sus hallazgos a los arqueólogos o topógrafos. Con modelos fotogramétricos detallados que requieren cientos o miles de fotografías, cualquier falla en la comunicación puede convertirse rápidamente en ralentizaciones a gran escala. Además, los buzos están limitados por su oxígeno, así como por la presurización durante las inmersiones de rebote, lo que puede extender severamente la misión.

Objetivo de la misión

El departamento arqueológico de Stantec Markham recibió recientemente la tarea de evaluar la estructura de una presa en Nassau Mills en Peterborough, Ontario. Este sitio albergaba una presa activa que se acercaba al final de su vida útil funcional, así como los restos históricos de una presa anterior del siglo XIX. El objetivo de esta encuesta fue examinar los restos históricos, al mismo tiempo que identificaba los métodos de construcción utilizados en represas pasadas para nuevos planes de construcción.

El equipo utilizado

El REVOLUTION y ROV PIVOT de Deep Trekker se usaron en conjunto para proporcionar una mayor duración de la batería durante toda la jornada laboral. Ambos dispositivos están equipados con seis propulsores, así como cabezales de cámara giratorios y plataformas de herramientas. Cuatro de los seis propulsores están vectorizados, mientras que los dos restantes son verticales, lo que permite movimientos laterales y verticales sin ajustar el paso del ROV. El único otro equipo utilizado fue una cámara GoPro, que se utilizó junto con las cámaras del vehículo para obtener imágenes adicionales. Esta cámara simplemente se agarró entre la garra de agarre del ROV cuando estaba en uso.

Fase 1: Imágenes

La primera fase del modelado fotogramétrico de Stantec fue la recopilación de imágenes de alta resolución. El primer desafío al que se enfrentó este proyecto fue el clima. La encuesta debía realizarse durante el invierno canadiense, con temperaturas mínimas promedio de -11 grados centígrados para el área. Enviar buzos a estas temperaturas requeriría un equipo extenso y daría como resultado tiempos de inmersión más cortos para limitar el riesgo de exposición. En segundo lugar, trabajar cerca de la estructura de una presa produce corrientes elevadas y riesgos de presión diferencial. El arqueólogo del proyecto Mike Maloney declaró: "si tuviéramos buzos, estamos muy cerca de una presa, habría muchos problemas de seguridad para hacer el trabajo". Para abordar estos problemas, Mike junto con Darren Kipping, otro arqueólogo de Stantec, decidió que un ROV era la mejor táctica para obtener imágenes. Al equipar un ROV con una cámara GoPro configurada para tomar imágenes JPEG cada dos segundos, el dúo pudo pilotar el ROV en un patrón de cuadrícula para una amplia cobertura fotográfica desde diferentes ángulos. Esta táctica fue capaz de capturar imágenes casi continuas mediante el intercambio de campo entre dos vehículos.

La pareja declaró que pudieron realizar el estudio submarino mucho más rápido de lo habitual. Señalando que "normalmente, si tuviéramos buzos abajo, nosotros, como arqueólogos, les instruiríamos qué buscar y qué registrar y luego regresarían y nos informarían lo que han visto". En una sola tarde, el equipo pudo capturar todas las imágenes necesarias para pasar a la segunda etapa; modelado.

Fase 2: Modelado

Una vez que se capturaron las imágenes necesarias, Mike y Darren pudieron cargar sus hallazgos, junto con algunas imágenes de sonda de barrido lateral anteriores para generar modelos fotogramétricos. El software utilizado fue 'Agisoft Metashape'. Agisoft Metashape es un producto de software independiente que realiza el procesamiento fotogramétrico de imágenes digitales y genera datos espaciales en 3D para su uso en aplicaciones GIS, documentación del patrimonio cultural y producción de efectos visuales, así como para mediciones indirectas de objetos de varias escalas.

La figura anterior demuestra las capacidades de mediciones precisas que se encuentran en las capacidades de modelado. Las imágenes capturadas pudieron generar modelos completamente interactuables con una precisión milimétrica. Una vez finalizado, Stantec pudo comparar las representaciones fotogramétricas con documentos históricos para rastrear el impacto de los factores ambientales a lo largo del tiempo. Esto ofrece información que beneficiará los diseños conceptuales para las nuevas construcciones que se van a realizar.

La diferencia de Deep Trekker

- Cabezales de cámara giratorios

Los cabezales de cámara giratorios de Deep Trekker permiten a los operadores rotar entre 220 y 270 grados. Esto permite obtener imágenes extremadamente uniformes y uniformes, ya que la inclinación del ROV no requiere ningún ajuste para las fotografías orientadas hacia abajo. Durante la encuesta de Stantec, pudieron capturar fácilmente fotos posicionadas "aéreas", así como ajustar la rotación para secciones complejas según fuera necesario.

• Portabilidad

Acceder al sitio de despliegue requería que el equipo navegara a través de un sistema de pasarelas estrechas. Gracias a los ROV que funcionan con baterías y al controlador de mano de Deep Trekker, no hubo necesidad de viajar con generadores externos o consolas de control. Esto aumenta drásticamente la maniobrabilidad durante las encuestas remotas, además de permitir un viaje aéreo conveniente como equipaje facturado.

• Estación de espera

Al utilizar el software BRIDGE interno de Deep Trekker, los ROV son increíblemente inteligentes en la estación que se mantienen a través de las corrientes. Con capacidades de profundidad automática y rumbo automático, pilotar y capturar imágenes consistentes es extremadamente intuitivo. En Nassau Mills Dam, la corriente era considerable, sin embargo, los ROV PIVOT y REVOLUTION pudieron navegar sin problemas a través del patrón de cuadrícula requerido.

Conclusiones clave

Con los ROV de Deep Trekker, Stantec pudo capturar de forma rápida, segura y sencilla todas las fotos necesarias para el modelado en un solo día. La velocidad con la que dos miembros del equipo pudieron completar una tarea como esta no tenía precedentes. Al desplegar los ROV, el par de arqueólogos pudieron dirigir personalmente los vehículos exactamente a donde debían estar, en lugar de comunicarse de un lado a otro con un equipo de buceo. Al capacitar al usuario final para capturar las imágenes requeridas, pudieron crear con éxito modelos fotogramétricos en 3D de gran detalle de la presa de Nassau Mills, sin riesgo ni costos repetitivos. Después de que concluyó el proyecto, Stantec Markham se comprometió de inmediato a comprar un PIVOT ROV para futuros proyectos de modelado.