Graphic documentation of archaeological heritage using LiDAR on UAV. Experimental analysis of optimal flight parameters

Abstract

[EN] The introduction of new technologies has opened new methodological avenues and theoretical approaches of great interest for archaeological research and the conservation of historical heritage. This study delves into the advantages of LiDAR systems in the analysis of landscapes and archaeological elements in areas with dense vegetation. The acquisition of three-dimensional graphical documentation of reality for topographic, heritage, architectural, or industrial purposes has been revolutionized in the last decade by the application of unmanned aerial vehicles (UAVs). UAVs have become a fundamental tool in the daily work of technicians, allowing the documentation of large land areas or inaccessible places with great efficiency and better results using traditional methods. UAVs, commonly known as drones, can carry various types of sensors, always conditioned by their size and weight. These limitations mainly resulted in the use of small passive sensors, such as RGB, multispectral, or infrared cameras. The evolution of the sector has enabled the availability of active remote sensing LiDAR (Light Detection and Ranging) sensors at the consumer level, opening up new possibilities that multi-image photogrammetry does not allow, such as acquiring information with reduced ambient light, in shaded areas, or under vegetation. The aim of this study is to perform a comparative analysis of the three-dimensional representation of terrain and structural elements present in densely vegetated landscapes, analysing the penetration index of the airborne LiDAR pulse recording archaeological features based on flight parameters: altitude and speed. The study also offers a series of methodological innovations based on the data extracted and the specifics of these types of sensors. At this point, we can pose the question: what is the difference between obtaining surveying for technical versus archaeological purposes? In topography, the precision of the digital model is established based on the working scale, generating a regulated surface where the final result undergoes a generalization process that smooths terrain forms to obtain contour lines that represent the terrain and are easily interpretable based on the scale. Conversely, in archaeology, evidence of anthropogenic activity is sought, requiring a higher definition of shapes, a greater number of points, and the application of specific visualization systems. For our study, we have proposed two distinct scenarios: an ideal one (without any vegetation or obstacles and horizontal topography, specifically a model airplane landing strip), and a very complex one with dense pine vegetation and steep slopes, conducting a series of flights at different altitudes (between 70 and 120 m) and various aircraft speeds (between 5 and 10 m/s). Finally, we conducted a statistical study of the results to determine the optimal parameters for the desired goals, proposing an optimal workflow and scheme.

[ES] La introducción de nuevas tecnologías ha abierto nuevas vías metodológicas y enfoques teóricos de gran interés para la investigación arqueológica y la conservación del patrimonio histórico. Este estudio profundiza en las ventajas de los sistemas LiDAR en el análisis del paisaje y elementos arqueológicos en zonas con gran vegetación. La obtención de documentación gráfica tridimensional de la realidad con fines topográficos, patrimoniales, arquitectónicos o industriales se ha visto revolucionada en la última década por la aplicación de vehículos aéreos no tripulados (UAV), convirtiéndose en una herramienta básica en el trabajo diario de los técnicos, permitiendo documentar grandes superficies de terreno o lugares inaccesibles con una gran eficiencia y con mejores resultados si cabe que con los métodos clásicos. Los UAV, comúnmente conocidos como drones permiten aerotransportar distintos tipos de sensores, siempre condicionados por su dimensión y peso. Estas limitaciones hacían que principalmente se utilizarán sensores pasivos de reducido tamaño: es decir cámaras RGB, multiespectrales o infrarrojos. La constante evolución del sector ha permitido que los sensores activos de teledetección LiDAR (Light Detection and Ranging) estén disponibles a nivel consumidor abriendo nuevas posibilidades que la fotogrametría multiimagen no permite, como la adquisición de información con reducida luz ambiental, zonas sombreadas o la adquisición de datos bajo la vegetación. El objetivo de este estudio es realizar un análisis comparado de la representación tridimensional del terreno y de los elementos estructurales presentes en paisajes con densa vegetación, analizando en base a los parámetros de vuelo: altura y velocidad, el índice de penetración del pulso LiDAR aerotransportado para el registro de las características arqueológicas. El estudio también ofrece una serie de novedades metodológicas basadas en los datos extraídos y las especificidades de este tipo de sensores. En este punto podemos plantear la pregunta ¿qué diferencia existe entre la obtención de topografía con fines técnicos a arqueológicos? En topografía se establece la precisión del modelo digital en función de la escala de trabajo y se genera una superficie reglada, en la que el resultado final sufre un proceso de generalización que suaviza las formas del terreno con el fin de obtener curvas de nivel que representen el terreno y sean interpretables fácilmente en función de la escala. Por el contrario, en arqueológica se buscan indicios de actividad antrópica, por lo que se persigue una mayor definición de las formas, un mayor número de puntos, y aplicar unos sistemas de visualización específicos. Para nuestro propósito de estudio, hemos planteado dos escenarios bien distintos: uno ideal (sin ningún tipo de vegetación ni obstáculo y con topografía horizontal, en concreto una pista de aterrizaje de un campo de modelismo y por otro lado, uno muy complejo con densa vegetación de pinar y fuertes pendientes