Desarrollo de un sistema de cámara termográfica 3D para realizar análisis desde el aire

Suelen utilizarse sistemas de cámaras aéreas oblicuas, que graban imágenes tridimensionales de alta resolución, para cartografiar zonas urbanas y obtener datos geográficos desde el aire. Hasta 2017, ninguno de estos sistemas era capaz de grabar imágenes térmicas en 3D. En respuesta a esta necesidad, un equipo de la Universidad Anhalt de Ciencias Aplicadas en Dessau, Alemania, ha desarrollado un sistema termográfico/RGB que produce imágenes 3D solapando imágenes de cuatro cámaras digitales y cuatro cámaras FLIR A65sc con campos de visión de 25°.

Instituto de Geoinformación y Topografía

La Universidad Anhalt de Ciencias Aplicadas en Dessau imparte cursos en el campo de la topografía desde 1992 y de geoinformática desde 2002. El antiguo departamento de Topografía se ha transformado en el Instituto de Geoinformación y Topografía. Como instituto dentro de la Facultad de Arquitectura, Gestión de Instalaciones y Geoinformación, reúne las competencias académicas y de investigación de las disciplinas de topografía y geoinformática. Además de en la enseñanza, el instituto se centra en la investigación aplicada.

La idea y sus áreas de aplicación

Uno de los proyectos del instituto consistía en desarrollar un nuevo sistema de cámara termográfica y RGB, que produce imágenes 3D solapando las imágenes tomadas desde un girocóptero utilizando ocho cámaras. El profesor Lutz Bannehr, que dirige el departamento de Adquisición de Geodatos y Tecnología de Sensor del instituto, aportó la idea en abril de 2016. Aunque se disponía de sistemas de cámaras 3D (también conocidos como sistemas de cámaras oblicuas RGB) con resoluciones muy altas, ninguno de estos sistemas podía proporcionas las ventajas de los datos térmicos. El profesor Bannehr tenía experiencia con la termografía, ya que había adquirido una cámara de infrarrojos refrigerada FLIR SC3000 en 2001 y había participado en formación sobre termografía. Estaba seguro de que una solución que utilizara cámaras térmicas no refrigeradas sería viable. Podría tener múltiples posibles aplicaciones, como: recopilar datos de inventario, vigilancia, supervisión del volumen en minería a campo abierto, supervisión de incendios forestales, análisis de aislamiento, estimación de rendimiento para sistemas fotovoltaicos y térmicos solares, supervisión del medio ambiente, generación de imágenes geológicas y topográficas, e incluso para la producción de maquetas digitales urbanas.

El proyecto

El profesor Bannehr envió la propuesta de investigación y formó un pequeño equipo de desarrollo con su alumno de doctorado Christoph Ulrich, con Hermann Kaubitzsch, de bgk infrarotservice GmbH (Riesa) (una empresa de integración de FLIR) y Henrik Pohl, de la empresa productora de girocópteros, Airborne Technical Systems (Berlín). Incluso con solapamientos del 85 % a lo largo y a lo ancho, las cámaras de alta resolución convencionales no podían representar cada detalle de los laterales de los edificios. Así pues, el equipo diseñó un sistema que consistía en cuatro cámaras RGB y cuatro cámaras termográficas dispuestas de tal forma que sus imágenes se solaparían para producir imágenes térmicas 3D y geodatos 3D. Estos datos podrían analizarse y evaluarse a continuación utilizando software estándar.

Las cámaras

Para crear el sistema, el equipo seleccionó cuatro cámaras termográficas FLIR A65sc, así como cuatro cámaras RGB compactas de otro fabricante que producen imágenes de alrededor de 5 megapíxeles. Kaubitzsch recomendó al equipo utilizar la cámara termográfica FLIR A65sc «por su buena resolución de imagen térmica de 640 × 512 píxeles, su frecuencia de imagen de 30 Hz, su puerto Ethernet y sus dimensiones extremadamente compactas 106 × 40 × 43 mm». Hermann Kaubitzsch era también el responsable de la sincronización y la evaluación de las cámaras, que resultó no ser una tarea pequeña.

Controles y especificaciones del AOS-Tx8

Un equipo de estudiantes desarrolló una disposición 3D para las ocho cámaras, que tenían que ocupar el menos espacio posible en una nave tan ligera. Hasta se construyó una placa base personalizada para montar el sistema en el girocóptero. También se encontró rápidamente un nombre para el «sistema oblicuo aéreo» (AOS por sus siglas en inglés): AOS-Tx8. El sistema se controlaba por Ethernet y se mostraban datos de imágenes en una pantalla de 10 pulgadas. «Hace unos años, experimentamos con un una cámara termográfica diferente, pero su control por Ethernet no funcionó como se prometía», explicaba el profesor Bannehr. «Con los modelos FLIR A65sc, sin embargo, esto no supuso ningún problema». El sistema AOS-Tx8 entero solo pesa 11,6 kg y mide 330 × 400 × 320 mm. Ofrece conexiones para la operación manual de la cámara y el sistema de gestión de vuelo, así como ratón, pantalla, teclado (todo por USB) y la fuente de alimentación.

Sincronización de las cámaras termográficas

El solapamiento entre las cámaras FLIR es del 12 % o de 3°. Las cuatro cámaras termográficas FLIR tenían que sincronizarse para obtener datos útiles y evitar variaciones de temperatura en los valores medidos donde se solapan las imágenes. Por motivos tecnológicos, las cámaras termográficas no refrigeradas tienen una variación de hasta el ±5 % en la medición de la temperatura. Una prueba de las cuatro cámaras utilizando un foco de referencia mostró que las desviaciones previstas también estaban presentes, pero que se distribuían linealmente a lo largo del espectro. Por tanto, era posible utilizar una de las cámaras como cámara de  referencia (idealmente una con el valor medio) y ajustar las demás para que coincidieran con la cámara de referencia.

Vuelo inaugural

El 15 de agosto de 2017 llegó el momento de probarlo. El AOS-Tx8 estaba montado en el girocóptero y listo para realizar sus mediciones iniciales desde el aire. La secuencia de eventos ya se había definido claramente. El equipo utilizó programas de plan de vuelo para trazar el viaje inaugural y utilizó Google Earth para los datos cartográficos. Los datos del plan de vuelo que incluían los puntos en los que deben tomarse las imágenes se copian en el sistema de gestión de vuelo. 

Durante el vuelo, estos datos se utilizaban para activar el AOS-Tx8 y otros sensores. Después de los vuelos de prueba sobre el campus Strenzfeld de la Universidad de Anhalt, también se realizaron vuelos en agosto sobre Magdeburgo. Las imágenes no solo se tomaban desde un ángulo vertical (denominadas también imágenes ortofotográficas de IR), sino que también producían imágenes térmicas 3D a gran escala que mostraban la efectividad del aislamiento en los edificios.

Resultados obtenidos por el sistema oblicuo aéreo (AOS-Tx8)

Utilizando el AOS-Tx8, por primera vez es posible obtener una maqueta digital superficial con determinación precisa de las alturas de los edificios, así como una maqueta digital del terreno en RGB y en infrarrojos. El AOS-Tx8 es fácil de operar y los datos pueden evaluarse utilizando productos de software como Photoscan o Pix4D.

Perspectiva

El instituto dispone ahora además de una FLIR A655sc para recopilación de datos aéreos que no requiere generación de imágenes 3D. Así que aguardamos ya el próximo proyecto de investigación con infrarrojos realizado por el profesor Bannher, su innovador equipo y el Instituto de Geoinformación y topografía de la Universidad Anhalt de Ciencias Aplicadas en Dessau.