Introducción
En esta prueba se utilizaron tres sistemas:
- UAV DJI Matrice M350 RTK con ecosonda monohaz de doble frecuencia EchoLogger ECT D24S
- USV CHCNAV Apache 3 con ecosonda monohaz de frecuencia única D230
- USV OceanAlpha SL40 con sonar de barrido lateral batimétrico Geoswath 4
Se tomaron mediciones de profundidad en un lago de poca profundidad y se representaron en mapas batimétricos de elevación para evaluar las diferencias de rendimiento entre los sistemas.
Datos recopilados por
- Sergey Kucenko1 (UAV DJI Matrice M350 RTK)
- Ilvars Liepiņš2 (USV CHCNAV Apache 3)
- Thomas Hiller3 (USV OceanAlpha SL40)
Procesamiento de datos e informe a cargo de Matīss Brants1, Alexey Dobrovolskiy1.
1SPH Engineering, Riga, Letonia
2Latvijas Valsts Meži AS (Bosques estatales de Letonia), Riga, Letonia
3THURN Group Ltd., Norwich, Reino Unido
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Métodos
Área de prueba
La prueba se llevó a cabo en el lago Titurga, cerca de Riga, Letonia (N 56.874°, E 24.134°), el 19º de septiembre de 2024. El lago, de 8,5 hectáreas, es relativamente poco profundo, con una profundidad media de aproximadamente 7 metros y varias fosas más profundas. Es un lago eutrófico (es decir, con un crecimiento creciente de algas y plantas), que acumula continuamente material orgánico sobre el fondo arenoso, aunque ha sido dragado en las últimas décadas. El lago experimenta un flujo de agua debido a algunos canales de entrada y salida. La orilla, en gran parte cubierta de vegetación, tiene una pendiente suave durante unos metros y luego presenta un desnivel pronunciado de unos 3-4 metros. El acceso al lago es muy sencillo a través de la playa artificial de arena con un muelle de madera en la orilla suroeste (figura 1).
Sistemas utilizados
UAV DJI Matrice M350 RTK con ecosonda monohaz EchoLogger ECT D24S
El sistema integrado aerotransportado consta del UAV, el sensor de ecosonda, un altímetro y un ordenador de a bordo. El UAV DJI Matrice M350 RTK, utilizado como plataforma (Figura 2), es uno de los drones industriales más populares del mercado. Bajo la plataforma cuelga un cable de 2,5 m de largo en una funda protectora con la ecosonda sujeta en el extremo, completamente sumergida en el agua. Mientras que el posicionamiento horizontal del sistema se habilita mediante el sensor GNSS RTK, el control preciso de la altitud se realiza con la ayuda de un altímetro de radar como parte del sistema True Terrain Following de SPH Engineering. Todo el sistema está conectado mediante el controlador de a bordo SkyHub de SPH Engineering, que registra y combina los datos de los sensores. Durante la prueba, el sistema fue guiado de forma automática y precisa a lo largo de una ruta planificada en el UgCS (Universal Ground Control Software). La velocidad máxima recomendada con la ecosonda en carcasa cilíndrica sumergida es de aproximadamente 0,7 m/s. El sistema completo pesa aproximadamente 8,9 kilogramos.
El EchoLogger ECT D24 es una ecosonda monohaz de doble frecuencia que opera a 200 y 450 kHz. El modo de baja frecuencia funciona a partir de 0,5 metros con un ángulo de haz de 10°, mientras que el modo de alta frecuencia puede cartografiar aguas poco profundas a partir de 0,15 m con un ángulo de haz de 5°. El dispositivo cuenta con un sensor de inclinación integrado para corregir o eliminar los datos recopilados en ángulos excesivos. Los datos de la ecosonda se registran en formatos NMEA 0183 y CSV. Puede encontrar más información sobre el sistema en el siguiente enlace: https://www.sphengineering.com/echo-sounder
USV CHCNAV Apache 3 con ecosonda monohaz
Uno de los dos sistemas de vehículos de superficie no tripulados (USV) probados fue el CHCNAV Apache 3 (Figura 3), un dron marino de poco calado y gran portabilidad, ideal para tareas batimétricas en aguas interiores poco profundas y zonas costeras. La plataforma está equipada con antenas GNSS RTK duales para un posicionamiento y navegación precisos, así como con una IMU (Unidad de Medición Inercial) como respaldo de navegación durante las interrupciones del GNSS. El USV puede operarse de forma manual o automática mediante el control remoto Android integrado, que ofrece planificación de rutas, transmisión de video y recopilación de datos. La velocidad máxima del USV es de 6 m/s. El peso total del sistema es de 7 kilogramos.
La ecosonda utilizada a bordo del Apache 3 es la D230, una ecosonda monohaz que genera un pulso de 200 kHz con un ángulo de haz de 6,5° ± 1°, utilizable en un rango de profundidad de 0,15 a 200 metros. El balanceo del casco se compensa mediante los sensores a bordo del USV. La ecosonda es compatible con las sentencias NMEA SDDPT/SDDBT, así como con su propio formato propietario CHCGD.
USV OceanAlpha SL40 con sonar de barrido lateral batimétrico Geoswath 4 USV
El segundo USV probado fue el OceanAlpha SL40 (Figura 4), un dron marino pequeño y avanzado para estudios batimétricos en aguas poco profundas. A diferencia de otros sistemas probados que adquieren una única medición bajo la plataforma, el Geoswath 4 USV recopila datos de múltiples puntos a lo largo de la trayectoria, lo que permite realizar estudios más rápidos. El posicionamiento preciso se obtiene mediante GNSS RTK y la ejecución automática de rutas está disponible a través del ordenador de la estación base, aunque también se puede optar por el control manual para ubicaciones más complejas. El sistema de navegación inercial (INS) integrado registra los movimientos del casco para fines de calibración, lo que también ayuda en casos donde la navegación GNSS es limitada. El USV puede alcanzar una velocidad máxima de 5 m/s. El peso total del sistema es de 42 kilogramos.
Las mediciones batimétricas se realizan utilizando el sonar interferométrico GeoSwath 4 USV; el barrido de 240° de amplitud con una resolución angular de 0,04° transversal a la trayectoria y un ancho de haz de 0,5° a lo largo de la misma permite una adquisición de datos muy rápida y precisa, manteniendo la longitud total de la ruta al mínimo. Durante esta prueba, se utilizó el transductor de 500 kHz, adecuado para aguas poco profundas, aunque existen frecuencias más bajas disponibles. Una incorporación valiosa para un estudio batimétrico es el sonar de barrido lateral georreferenciado, que toma "imágenes sónicas" del fondo del cuerpo de agua. Esto mejora significativamente la interpretabilidad de los datos batimétricos y ayuda en diversas misiones de búsqueda y monitoreo. El cabezal del sonar GeoSwath incorpora un sensor de velocidad del sonido mini de Teledyne Valeport, que toma mediciones de la velocidad del sonido (SV) cada 0,1 segundos para las correcciones de SV del sonar en la superficie.
Ejecución del estudio
El estudio se llevó a cabo en la parte occidental del lago, que cuenta con un acceso sencillo al agua. Para simular un estudio batimétrico en aguas poco profundas, cada sistema se operó según sus modos de funcionamiento normales, lo que significa que la guía, el espaciado entre líneas y la frecuencia de muestreo de los sensores fueron diferentes en cada caso.
El sistema UAV fue guiado por GNSS RTK en modo automático con un espaciado entre líneas de 5 metros a una velocidad de 0,7 m/s. Su ecosonda trabajó en modo de doble frecuencia (200 y 450 kHz) con una frecuencia de muestreo de 15 Hz.
El CHCNAV Apache 3 operó en modo de guía automática GNSS RTK a una velocidad de 3 m/s, mientras que la ecosonda de 200 kHz adquiría mediciones a una frecuencia de 3 Hz.
El OceanAlpha SL40 fue guiado manualmente en modo RC a una velocidad media de 1,5 m/s. La frecuencia de muestreo fue de 25 Hz con pings simultáneos a babor y estribor. Cabe señalar que la frecuencia de muestreo puede ajustarse para misiones específicas. Se registraron mediciones continuas de la velocidad del sonido: la SV osciló entre 1485 m/s y 1487 m/s en la superficie del lago. Desafortunadamente, la empresa de transporte entregó el SL40 en su centro logístico de Lituania y no en Letonia, por lo que llegó al lugar con solo 30 minutos de tiempo de estudio restantes. No fue posible configurar el GNSS para trabajar con correcciones RTK locales, lo que significa que los datos de posicionamiento se adquirieron con un desfase.
No se tomaron perfiles de velocidad del sonido durante los estudios; se asumió que el lago estaba mezclado.
Procesamiento de datos
Todos los datos se procesaron utilizando software hidrográfico avalado por el fabricante del dispositivo batimétrico correspondiente. Los datos del EchoLogger ECT D24S basado en UAV se procesaron en Eye4Software Hydromagic. Solo se utilizaron los datos de baja frecuencia (200 kHz) para el procesamiento posterior. La mayoría de los valores de profundidad atípicos se eliminaron manualmente, mientras que los valores adquiridos cuando el sensor estaba inclinado más de 10 grados se eliminaron automáticamente. Para los cálculos se utilizó la velocidad del sonido predeterminada de 1500 m/s.
Los datos del USV CHCNAV Apache 3 se exportaron utilizando el software nativo de CHCNAV y se limpiaron manualmente en Eye4Software Hydromagic para eliminar picos.
De manera similar, los datos del USV OceanAlpha SL40 se procesaron utilizando el software propietario GS4, que gestionó todas las correcciones, incluidas las mediciones continuas de SV y la eliminación de valores atípicos. Dado que el USV OceanAlpha SL40 no recibía correcciones RTK, operó en modo GNSS diferencial asistido por INS. Los valores de elevación se calcularon restando los valores de profundidad del nivel de la superficie del agua obtenido durante el levantamiento con UAV, utilizando la superficie del agua como datum vertical. El desplazamiento horizontal de aproximadamente 6 metros se corrigió manualmente y la cuadrícula interpolada se trasladó a la ubicación aproximada para realizar al menos una evaluación cualitativa.
Los datos se procesaron para obtener la batimetría del fondo del lago, expresada como la elevación sobre el geoide local. A diferencia de los valores de profundidad del agua, los valores de elevación no se ven afectados por los cambios en el nivel del agua. Los datos batimétricos se cuadricularon mediante interpolación TIN con un tamaño de celda de 0,5 metros.
Métodos de evaluación
Se implementaron tres métodos principales para evaluar los resultados. Primero, una comparación cualitativa simple entre los datos de todos los sistemas: una inspección visual para verificar si los tres sistemas registraron características similares del lecho del lago. Esto proporciona una estimación aproximada de la utilidad de los datos. Segundo, una verificación de líneas transversales para determinar la precisión de cada sistema, lo que implica comprobar si las mediciones repetidas arrojan los mismos resultados. Este valor se expresa como el error cuadrático medio (RMSE). Tercero, es necesaria una comparación cuantitativa entre todos los sistemas para determinar la precisión relativa de los datos, lo que incluye la evaluación de las mediciones directas y los puntos de datos interpolados. Lamentablemente, el último paso no fue posible para los datos del USV OceanAlpha SL40 debido a la mencionada falta de datos de ubicación GNSS RTK precisos.
Resultados
Comparación cualitativa
La inspección visual de los mapas batimétricos (Figuras 5, 6 y 7) muestra que los tres sistemas probados han obtenido resultados similares. Se observa una zona poco profunda cerca del muelle de madera con una pendiente pronunciada de ~4 metros, un terreno relativamente plano que se extiende durante unos 100 metros y un pozo de casi 2 metros de profundidad al final. Para una comparación más sencilla, consulte la Figura 8. El intervalo de las isobatas es de 0,5 metros en todos los mapas.
Verificación de líneas transversales
La verificación de líneas transversales muestra cuán precisos son los resultados de cada sistema. Cuanto menor sea el valor, mejor será la repetibilidad de los resultados del levantamiento. Los datos de la ecosonda ECT D24S basados en el sistema UAV tuvieron un valor RMSE de 0,09 metros. La ecosonda del USV CHCNAV Apache 3 produjo un RMSE de 0,04 metros, mientras que para el OceanAlpha SL40 con su sonar de barrido GeoSwath 4 USV fue de 0,08 metros. Estos valores deben tenerse en cuenta al realizar una comparación entre los sistemas.
Comparación cuantitativa entre los sistemas
La comparación cuantitativa se proporciona para 1) las mediciones directas, ya que son la representación más fiable de los datos adquiridos, y 2) los puntos de cuadrícula interpolados, que suelen cubrir la mayor área de levantamiento. Esta comparación se realizó únicamente para el sistema basado en UAV y el USV CHCNAV Apache 3, ya que el USV OceanAlpha SL40 no adquirió una señal GNSS RTK debido a las desafortunadas limitaciones de tiempo del día de la prueba.
Para analizar los conjuntos de datos directamente, se compararon los puntos de medición del sistema UAV dentro de un radio horizontal de 0,1 metros de las mediciones del USV Apache 3. Los gráficos de la Figura 9 muestran las diferencias en los datos de elevación calculados. Aproximadamente el 75% de los puntos de elevación interpolados se encuentran dentro de una diferencia de ±0,10 m, y el 93% dentro de ±0,20 m. La mediana de las diferencias está sesgada hacia la derecha en 0,04 metros, lo que sugiere un ligero error sistemático, posiblemente relacionado con el GNSS RTK. Existe una dispersión notable de los datos en las profundidades más considerables, pero esa área también corresponde a pendientes más pronunciadas en el fondo del lago, lo que complica la adquisición de sondeos precisos. Otros valores atípicos también se correlacionan con cambios repentinos en la batimetría, posiblemente debido al crecimiento de la flora.
Las diferencias o el desajuste entre el área común de las cuadrículas interpoladas de los datos de la plataforma UAV y el USV Apache 3 (Figura 10) muestran un patrón notable. El mayor desajuste (más de ±0,5 m) se encuentra en las áreas de mayores pendientes, que están en el extremo poco profundo del área de levantamiento y cerca del pozo del extremo profundo. Curiosamente, hay diferencias muy pequeñas donde el USV zigzagueaba durante la desaceleración en el extremo más profundo. Algunas de las mayores diferencias de elevación se deben, muy probablemente, al crecimiento de la flora o a los diferentes anchos de haz de los sensores.
De manera similar a las diferencias entre las mediciones directas, aproximadamente el 68% de los puntos de elevación interpolados se encuentran dentro de una diferencia de ±0,10 m y el 90% dentro de ±0,20 m (Figura 11). La mediana también es similar, pero mayor, en +0,05 m. Es probable que estas diferencias ligeramente más significativas sean más representativas de los errores de medición, ya que hay 100 veces más puntos de datos que para las mediciones directas.
Las discrepancias en las elevaciones calculadas podrían deberse a errores de posicionamiento horizontal RTK GNSS y a los diferentes ángulos de haz, que cubren parches de distintos tamaños en el fondo del lago. Las huellas del sonar a 7 m de profundidad bajo los transductores son de 60 cm para el ECTD24, 40 cm para el D230 y 6 cm para el GeoSwath. No obstante, las causas de los errores deberían investigarse en un estudio de prueba más controlado.
Comparación de trayectorias
Las trayectorias de todos los sistemas reflejan las diferencias inherentes a los propios sistemas (Figura 12). El UAV es muy maniobrable y realiza giros cerrados, lo cual puede ser importante en condiciones de espacio limitado. Ambos USV requieren más espacio de maniobra. Es evidente que el OceanAlpha SL40 es capaz de proporcionar la mayor cobertura de datos en el trayecto más corto debido a su sonar batimétrico de barrido ancho. Sin embargo, esto no resulta necesariamente en el menor tiempo total de estudio, ya que también deben considerarse los tiempos de configuración y recuperación del sistema.
Imagen de sonar de barrido lateral del USV OceanAlpha SL40 con sonar de barrido lateral Geoswath 4 USV
El USV OceanAlpha SL40 fue el único sistema probado capaz de recopilar imágenes de sonar de barrido lateral junto con batimetría. Los nueve mosaicos de barrido lateral adquiridos revelan detalles sobre la vegetación que crece en el fondo del lago, así como objetos artificiales. Por ejemplo, uno de los barridos laterales muestra una estructura similar a una embarcación hundida (Figura 12).
Conclusiones
- Los tres sistemas probados —uno basado en plataforma UAV y dos en plataformas USV— demostraron ser capaces de mapear el lecho del lago con la precisión suficiente para una evaluación cualitativa del fondo.
- Los valores medianos de las mediciones de control muestran que todos los sistemas pueden alcanzar una precisión inferior a 0,10 m.
- Al comparar los sistemas UAV y USV, la diferencia en la elevación calculada se mantuvo dentro de aproximadamente ±0,20 m para el 90% del área comparada.
- La precisión de sondeo de una ecosonda puede degradarse notablemente al medir profundidades en superficies con pendientes pronunciadas.
- Las posibles causas de error incluyen errores de posicionamiento RTK GNSS y variaciones en el ancho del haz de la ecosonda.
- Errores debidos a la velocidad del sonido: el procesamiento de haz simple utilizó una velocidad del sonido predeterminada de 1500 m/s, mientras que el GeoSwath utilizó la velocidad del sonido medida continuamente en la superficie (alrededor de 1486 m/s). Se asumió que el lago estaba mezclado verticalmente; esta suposición debe ser verificada.