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Por: Ariel Silva | Gerente de Soporte y Preventa | GEOCOM
La fotogrametría es una técnica de medición e interpretación confiable a través de fotografías. En la minería, la fotogrametría ha permitido la representación tridimensional masiva de rajos abiertos, así como también, de plantas e instalaciones industriales con una variedad de finalidades.
Hasta hace un par de décadas, la fotogrametría era un recurso de representación topográfica a gran escala que cubría faenas completas con resoluciones temporales que no permitían análisis en brechas de tiempo muy cortas. Actualmente este escenario ha cambiado drásticamente gracias a la inmediatez que proveen los drones en la captura de fotografías, llevando a la fotogrametría aérea a convertirse en una de las técnicas más usadas para la representación topográfica dadas sus ventajas de precisión y productividad considerando superficies muy extensas.
La fotogrametría tiene dos productos principales: nubes de puntos masivas y ortofotos. Las nubes de puntos responden a un conjunto de posiciones tridimensionales que constituyen con un cierto grado de detalle una superficie de interés. En el caso de la minería, la superficie de interés puede ser un rajo abierto, un botadero, una pila de lixiviación, entre otros. El grado de detalle puede llegar fácilmente a una resolución espacial del orden de unos pocos centímetros dando paso a diferentes tipos de aplicaciones en donde la adquisición de datos puede ser riesgosa o comprometedora. Por otra parte, la fotogrametría facilita la representación en lugares donde las técnicas de adquisición de puntos discretos son poco productivas o simplemente no pueden aplicarse. En un ámbito más cualitativo, las ortofotos simplifican el entendimiento de planos topográficos ofreciendo una vista aérea detallada que contribuye activamente, por ejemplo, en la planificación minera de corto y mediano plazo.
¿Qué es fotogrametría?
Fotogrametría es simplemente medir con fotografías. Según la ISPRS es la ciencia de realizar mediciones e interpretaciones confiables por medio de fotografías, para de esa manera obtener características geométricas del objeto fotografiado. Por otro lado, según la ASPRS es el arte, la ciencia y la tecnología de obtener información confiable de objetos físicos y su entorno, mediante el proceso de exponer, medir e interpretar tanto imágenes fotográficas como otras obtenidas de diversos patrones de energía electromagnética y otros fenómenos. Es importante indicar que la fotogrametría es parte de las ciencias geodésicas dado su propósito de mapeo en las más diversas escalas de representación. También, durante la última década, ha tenido una fuerte repercusión en la visión robótica dada su fuerte conexión con el procesamiento de imágenes digitales (Stachniss, 2016).
Actualmente, la fotogrametría ha aportado considerablemente en la ingeniería teniendo en cuenta el advenimiento de los drones y los adelantos en las cámaras fotográficas llegando a ser una técnica de captura masiva de datos geoespaciales muy productiva.
La fotogrametría es una técnica que destaca por no tener contacto directo con la superficie a representar, por lo tanto, se puede aplicar de forma remota. Esta es la principal ventaja que presenta al momento de considerar exposición a materiales sensibles o simplemente a lugares inaccesibles. Por otra parte, es relativamente sencillo adquirir fotografías en secuencia y en grandes cantidades generando puntos suficientemente densos para una variedad de aplicaciones. También, es una técnica que se puede aplicar de forma dinámica con la posibilidad de procesamiento en tiempo real como se ha visto en la industria de los vehículos autónomos por ejemplo. Por último, quizá la ventaja más importante de la fotogrametría es que sus productos son mucho más que geometría: las ortofotos y las nubes de puntos son susceptibles de interpretación humana al igual que una fotografía común y corriente.
Sin embargo, la fotogrametría necesita de una fuente de luz (que en la mayor parte de los casos es el sol). Las cámaras fotográficas, al ser sensores pasivos, necesitan de una fuente de energía que les permite construir el arreglo matricial que constituye una fotografía. Desde esta perspectiva, las sombras son elementos desfavorables para el procesamiento fotogramétrico al igual que la imposibilidad de realizar adquisición de datos en la noche. También, al igual que muchas técnicas geodésicas, se ve afectada por oclusión al objeto o escena a representar.
Estereoscopía: percepción tridimensional
El principio fundamental en el que se sustenta la fotogrametría se conoce como estereoscopía que da origen a la percepción tridimensional. El mejor ejemplo para explicar la estereoscopía está dado en la visión: cada ojo recoge imágenes ligeramente diferentes, las cuales por medio de un procesamiento realizado por el cerebro permiten la percepción tridimensional o en profundidad. Este fenómeno se puede replicar en dos fotografías consecutivas mientras exista traslape entre ellas: sólo se necesita reconstituir la posición y orientación exactas del momento en que se fotografío.
En el caso de la aerofotogrametría, la aeronave –que lleva consigo la cámara– realiza una secuencia de vuelo programada en la cual captura fotografías con cierto traslape. Esta técnica de captura de fotografías puede estar dada en base al tiempo o a la posición dependiendo de las características de la aeronave y/o de la cámara fotográfica en conjunto con su sistema de navegación.
De esta forma, las fotografías se adquieren siguiendo líneas –más conocidas como líneas de vuelo– las cuales siguen una dirección de acuerdo a las características geográficas del lugar a representar y, en varias ocasiones, considerando la dirección del viento con el objetivo de optimizar el vuelo.
Finalmente, a partir de un par consecutivo de fotografías, llamado par estereoscópico, a través de la medición de direcciones se genera una triangulación que posibilita la determinación de las coordenadas de puntos en el espacio. Este proceso cuando se realiza en bloque (con todas las fotografías) se conoce como aerotriangulación y ha sido el elemento determinante para la fotogrametría actual.
Aerotriangulación
Uno de los objetivos de la fotogrametría es conseguir de forma directa o indirecta lo que se conoce como pose de la cámara. Con la determinación de la pose, que responde a la posición y orientación de la cámara respecto a un sistema de referencia, se restituye la posición de puntos en el espacio provenientes de observaciones en distintas fotografías.
La aerotriangulación, a través de un ajuste en bloque de las fotografías, permite determinar la pose de la cámara en un sistema de referencia dado. En términos de procesamiento computacional, la aerotriangulación es una gran tarea dado que necesita resolver sistemas de ecuaciones no lineales sobredeterminados con una cantidad de incógnitas extremadamente numerosa.
Tipos de referenciación
La aerotriangulación al conseguir determinar la pose de la cámara debe asociarse a un sistema de referencia. Típicamente, en procesos de fotogrametría convencional, la aerotriangulación se ejecuta de forma relativa, es decir, se calcula la pose de la cámara bajo una referencia arbitraria pero manteniendo los atributos de forma y escala.
Para poder determinar la referencia en la aerotriangulación existen dos posibilidades: de forma directa o indirecta.
La referenciación indirecta es lo que usualmente se realiza en fotogrametría aérea. Bajo esta metodología se requiere del uso de puntos de control terrestre que permiten la transformación de coordenadas del bloque aerotriangulado. La gran desventaja de esta técnica es la necesidad de posicionar marcas fotoidentificables de acuerdo a geometrías que permitan el cálculo de parámetros de transformación de forma conveniente. Como respuesta a esta problemática aparece la referenciación directa que mide –no determina ni calcula– la pose de la cámara. Los beneficios de la referenciación directa son claros: disminución considerable de puntos de control (en algunos casos se pueden eliminar completamente) y optimización en el proceso de cálculo dado que no se requiere resolver un sistema de ecuaciones con tantas incógnitas.
La referenciación directa se basa en observaciones GNSS + IMU permitiendo obtener la posición y la orientación de la cámara. No obstante, se trata de una técnica de complejidad mayor. Una variante de referenciación directa es sólo usar GNSS para la determinación incompleta de la pose de la cámara pero resolviendo el problema de la escala a través de las posiciones.
En la minería, el método de referenciación directa se ha transformado, prácticamente, en un estándar de operación dadas sus ventajas en el cálculo. Sin embargo, su principal aporte es en términos de seguridad y de simplificación de la operación fotogramétrica.
Productos finales de la fotogrametría
En términos muy generalizados, el proceso fotogramétrico culmina con la obtención de dos productos: nube de puntos y ortofoto. Respecto a la nube de puntos, corresponde a un conjunto masivo de posiciones que representan el objeto/terreno fotografiado. Una nube de puntos masiva constituye el primer paso para una representación altamente detallada de la realidad. A partir de la nube de puntos se pueden llegar a trazar líneas de quiebre que siguen siendo de mucha utilidad para la representación de rajos abiertos. Sin embargo, lo más importante que ofrece una nube de puntos, es la creación de superficies que permiten una serie de análisis y cálculos posteriores.
Respecto a la ortofoto, se debe decir que es una fotografía que cuenta con proyección ortogonal (dada por el sistema de coordenadas usado en la referenciación). Una ortofoto, simplificando ampliamente su definición, es un plano con altas posibilidades de interpretación humana. Las ortofotos han revolucionado el ámbito cartográfico dado que su naturaleza es en sí, prácticamente, una copia de la realidad pero con objetivos métricos.
Representación topográfica
La fotogrametría está considerada, por excelencia, como una técnica de representación masiva. Su objetivo primordial es poder obtener puntos extremadamente densos a partir de una superficie de interés. Desde esta perspectiva, la fotogrametría responde con creces entregando una ventaja comparativa sobre otras metodologías en términos de productividad y seguridad.
En el caso de la mina Ministro Hales, se necesita un levantamiento semanal de todo el rajo que cubre un área aproximada de 330 Ha. En la operación de vuelo se invierte un total de 1 hora y 15 minutos, tiempo distribuido en dos vuelos con una altura de aproximadamente 400 m sobre el nivel del terreno, lo cual permite obtener una resolución espacial de 5 cm. Respecto al procesamiento de datos, en no más de 5 horas se obtiene el producto final el cual es utilizado en la planificación semanal de la compañía. Es importante destacar que se utiliza el método de referenciación directa sólo con GNSS, lo que permite no usar puntos de control terrestre para referenciar la aerotriangulación.
La nube de puntos, en términos geométricos, establece el punto de partida para una serie de aplicaciones. A partir de ella se obtiene una superficie que permite realizar curvas de nivel, calcular volúmenes, trazar perfiles, dibujar líneas de quiebre, entre otras operaciones de carácter topográfico.
Mientras la nube de puntos genera una base geométrica extremadamente representativa, la ortofoto se posiciona como un elemento más bien de análisis cualitativo.
Cálculo de volumen
La estimación volumétrica quizá es el cálculo más requerido a partir de datos topográficos en el ámbito minero. Queda de manifiesto que la precisión del cálculo de volumen depende en buena medida de la precisión de los puntos que constituyen las superficies, sin embargo, el elemento fundamental es la representatividad de la superficie.
En la figura anterior puede observarse una cuadrícula de comparación de superficies obtenida a partir de levantamientos aerofotogramétricos con referenciación directa en la mina Radomiro Tomic. En color rojo se tienen las áreas explotadas y que deben ser evaluadas de acuerdo a la operación de carguío en un banco o fase en particular. Sin embargo, resaltan las áreas en azul que responden a derrames producidos y que por medio de levantamientos topográficos convencionales son difíciles de representar. Esta representación detallada y masiva incrementa las posibilidades de análisis dado que se cuenta con una mayor cantidad de evidencia en términos topográficos.
Luego, para calcular por banco, sólo se necesita el trazado de un límite para realizar la comparación entre superficies.
Chequeo de caminos
El chequeo de caminos mineros puede ser dividido de acuerdo a dos condiciones: ancho y pendiente. Esta tarea es de suma importancia para la operación minera, dado que permite vislumbrar situaciones subestándar para el correcto tránsito de equipos de transporte de material.
El ancho puede ser revisado en la misma ortofoto realizando el dibujo de dos líneas de quiebre como es indicado en la figura anterior. Este dibujo es realizado rápidamente a través de la interpretación del operador. Esto último es sumamente interesante dado que le da un valor incalculable en términos de aplicaciones a la ortofoto.
Respecto a la pendiente, se necesita trabajar directamente sobre la nube de puntos en la creación de una línea tridimensional que represente el eje del camino. Esta secuencia de puntos será la base para crear un perfil longitudinal. Otra forma para realizar el control de pendiente es realizando una superficie y etiquetando la pendiente de cada triángulo.
La ventaja de la fotogrametría en este caso es la eliminación de personal de topografía en los caminos consiguiendo una ganancia en la seguridad y en la optimización del flujo de carguío y transporte.
Control geotécnico
El control geotécnico está relacionado en buena parte con la geometría del macizo rocoso (sin tomar en cuenta otro tipo de características). Esta geometría debe permanecer en el tiempo, aunque se sabe que es dinámica debido a la gravedad, tronaduras, interacción de equipos, etc.
A través de la nube de puntos se puede evaluar la geometría de un grupo de bancos analizando la altura y los ángulos de ellos desde una perspectiva inicial. En este contexto, hay metodologías que ofrecen mayor precisión –como un láser escáner– pero que no permiten desarrollar el levantamiento de forma masiva como lo hace la técnica fotogramétrica.
Finalmente, se sugiere que este tipo de controles sean realizados combinando técnicas de fotogrametría y escáner láser dado el grado de influencia que tienen ambas técnicas para incidir directamente sobre superficies horizontales y verticales respectivamente.
Control de muros en tranques de relave
Los muros de tranques de relave deben ser controlados en términos geométricos de forma periódica. Los métodos fotogramétricos permiten resolver el problema de la representación de forma óptima. Sin embargo, dada la condición lineal del muro de un tranque se recomienda realizar el levantamiento con un multirrotor utilizando la técnica de referenciación directa completa (GNSS + IMU). Los casos anteriores han sido desarrollados con aeronaves del tipo ala fija con referenciación directa incompleta, es decir, sólo GNSS.
En este caso se tiene el levantamiento del muro oeste del Tranque Talabre realizado con un multirrotor equipado con GNSS + IMU. Se levantó una faja de un largo total de 4 km con un ancho de 150 m en no más de una mañana de trabajo. Se obtienen más de 450 fotografías de alta resolución en las cuales fue determinada la pose directamente a través de observaciones GNSS + IMU obteniendo un producto de resolución espacial inferior a 2 cm.
Conclusiones
La fotogrametría se ha transformado en una técnica altamente confiable para el mapeo de áreas extensas como son las que habitualmente se encuentran en la minería. La resolución espacial a la que llegan sus productos satisface completamente la mayor parte de los requerimientos de precisión que ofrece el escenario minero, especialmente en los relacionados con movimiento de tierras.
Por otra parte, la técnica de referenciación directa ha aportado considerablemente en la simplificación de la operación fotogramétrica en terreno. Cuando antes se requería una serie de puntos de control terrestre, hoy en día, prácticamente, se han eliminado por completo.
Como todas las técnicas de representación topográfica, la fotogrametría debe ser combinada con otras técnicas para satisfacer requerimientos específicos. Sin embargo, en gran medida, la fotogrametría puede ser usada cuando se requiere un nivel de representación que no supere unos pocos centímetros de precisión.
No obstante, la gran ventaja de la fotogrametría no es la precisión, sino que el gran nivel de representatividad que se obtiene en sus productos. En términos generales, las labores topográficas de representación que se requieren en la minería son sólo de control e inspección, es decir, la contrastación del diseño de ingeniería con la construcción. En este ámbito específico, la fotogrametría se consolida como una metodología altamente productiva y segura.
Referencias
Stachniss, C. (2016). Photogrammetry I, Photogrammetry II.
ASPRS Positional Accuracy Standards for Digital Geospatial Data (2014).
Ghilani C.D., Wolf P.R. (2012). Elementary surveying. An introduction to geomatics.
