Más sostenibilidad en los edificios industriales gracias a la IA

Introducción al proyecto

La idea del proyecto es reconocer la sostenibilidad de los edificios industriales y utilizar la inteligencia artificial para determinar ideas sobre cómo pueden modernizarse los edificios de forma sostenible introduciendo la dirección de un edificio y obteniendo una lista de posibles ideas de modernización. A continuación se describen los cálculos que convierten la dirección en la información necesaria para evaluar la sostenibilidad.

Recogida de datos y primeros pasos

El primer paso consiste en determinar las coordenadas, es decir, la longitud y la latitud, de la dirección introducida. A continuación se calculan las coordenadas que describen el área de aproximadamente un kilómetro cuadrado alrededor del centro de la dirección introducida. Estas coordenadas se utilizan para buscar datos de satélite que puedan proporcionar información sobre el edificio. Hay varios satélites que registran mapas de la superficie terrestre (lo que se denomina teledetección), pero las imágenes difieren en varios aspectos. Un punto importante para este proyecto es la resolución espacial, es decir, cuántos metros mide un píxel del mapa, es decir, cuánto se puede ver en el mapa. Otro punto interesante e importante para las imágenes de satélite que no sólo observan en el rango óptico es la resolución espectral, es decir, cuántas longitudes de onda se observan.

Análisis de los datos del satélite

Presentación de los satélites pertinentes y de la calidad de sus datos

A continuación se presentan tres satélites que se tuvieron en cuenta para este proyecto:

Los datos de Sentinel-2A tienen una resolución espacial de 10 metros en el rango de longitudes de onda ópticas y de 60 metros en el rango de longitudes de onda infrarrojas. Esto significa que los pequeños edificios industriales sólo se representan con unos pocos píxeles. Sin embargo, la ventaja de los datos Sentinel es que se dispone de datos en el infrarrojo, lo que significa que el albedo, es decir, la reflectividad de una superficie, puede calcularse utilizando el espectro registrado (véase el recuadro informativo). Esta información indica cuánto se calienta la superficie del tejado, y por tanto el edificio, debido a la radiación solar.

Los satélites Pléiades y Spot, entre otros, registran datos de mayor resolución espacial. Estos mapas deben comprarse; hay varios proveedores que venden mapas completos o sólo secciones de los mapas individuales. Los mapas Pleiades tienen una resolución espacial de 0,5 metros (los datos NEO de 0,3 metros) y los datos SPOT de 1,5 metros. Esto proporciona una buena representación espacial de los edificios y permite reconocer los objetos situados en el tejado de los edificios, como las ventanas. Sin embargo, estos satélites no registran ninguna o suficiente información en el infrarrojo, lo que significa que no se puede calcular el albedo. En este caso, las conclusiones sobre el calentamiento del edificio se extraen del brillo de la superficie del tejado.

Los mapas de satélite están disponibles como archivos tif que contienen geoinformación, lo que significa que los píxeles o zonas individuales pueden localizarse mediante coordenadas geográficas.

Integración de mapas OSM para obtener datos más precisos

Para realizar un análisis se necesita más información en forma de un mapa adicional que contenga los contornos de los edificios. Se trata de mapas Open Street Map (OSM) que pueden descargarse gratuitamente. Las coordenadas de la dirección se utilizan para encontrar el edificio correcto en el mapa OSM y el contorno del edificio se lee utilizando los archivos "buildings". Esta información se transfiere al mapa por satélite para poder recortar el edificio en el mapa por satélite. Para examinar el entorno inmediato de un edificio, por ejemplo, si hay zonas verdes, árboles o zonas principalmente asfaltadas, se recorta del mapa por satélite un número necesario de píxeles alrededor del edificio reconocido y se ponen a disposición para su análisis.

Evaluación detallada del entorno del edificio

Análisis de materiales mediante evaluación espectral

Los pasos del análisis que determinan el brillo del tejado y sus alrededores difieren según el mapa del satélite. Con Sentinel, se miden varias longitudes de onda para cada píxel registrado; éstas se encuentran en el rango óptico e infrarrojo, de modo que se puede crear un espectro para cada píxel. Estos espectros pueden utilizarse para determinar la composición material de la zona observada. Para ello, se utilizan espectros de distintos materiales medidos en el laboratorio y se comparan con los espectros observados. Esto permite determinar la información material de cada píxel, es decir, también de la cubierta del edificio seleccionado y de los alrededores del edificio. Sin embargo, una desventaja es la baja resolución espacial. Dado que un píxel mide un área de 10×10 m o 60×60 m, cabe suponer que en esta área también se pueden encontrar diferentes materiales, que se mezclan para formar un espectro. Por desgracia, la composición exacta de los materiales no puede determinarse claramente con este método, ya que la resolución espectral no es lo suficientemente alta, pero es posible reconocer zonas verdes. Sin embargo, los espectros son muy adecuados para calcular el albedo de las superficies, es decir, la reflectividad de una superficie. Este valor puede utilizarse para determinar en qué medida el tejado, y por tanto el edificio, se calienta por la radiación solar.

El albedo no puede calcularse con los mapas de Pléiades y SPOT, ya que no hay suficiente información en el infrarrojo. En este caso, la luminosidad se calcula utilizando los datos en la gama de longitudes de onda ópticas. Para ello, se crea una imagen en gris y se lee la luminosidad. Como la resolución de estas imágenes es a veces muy alta, es posible recortar el tejado con precisión, reconocer posibles sombras o detectar ventanas, lo que permite sacar conclusiones sobre la calefacción y la ventilación.

Reconocer y analizar los espacios verdes

Otro enfoque que sólo se refiere a la gama óptica, es decir, que es el mismo para todos los datos de satélite, es el reconocimiento de las zonas verdes por el color. Para ello, los mapas de las gamas de longitudes de onda ópticas se combinan en un mapa y se selecciona el color verde. Esto permite determinar la proporción de zonas verdes en el edificio y alrededor del mismo. Se supone que las zonas verdes son vegetación, es decir, árboles y zonas de césped. En relación con este proyecto, también se analizan fotos del edificio desde las cuatro direcciones del viento. Para cada foto individual, el edificio se recorta primero utilizando el reconocimiento de objetos. La detección de ventanas también puede realizarse mediante la detección de objetos, o utilizando un enfoque diferente en el que se reconocen los bordes del edificio (detección de bordes), que determinan las ventanas. 

Para este último enfoque, los mapas ópticos se convierten en imágenes grises y se realiza la detección de bordes. Es aconsejable repetir este proceso con diferentes representaciones de imágenes grises y con inversas de las imágenes grises. A continuación se comparan las ventanas encontradas en cada una de estas imágenes grises. De este modo se determina la proporción de ventanas en la pared de la casa. Esto proporciona más información sobre las posibilidades de ventilación y calefacción del edificio. El cálculo del brillo de las paredes de la casa se realiza en las secciones del edificio sin ventanas. A diferencia de la detección de la luminosidad del tejado, en las fotos se detectan los colores principales de la fachada. A continuación, la luminosidad se determina en función del color principal, que debe representar más del 50% de todos los colores, o de la media proporcional de todos los colores. 

Evaluación detallada del entorno del edificio

Con esta información calculada, es posible dar una valoración de lo sostenible que es el edificio y proporcionar información sobre cómo puede hacerse más sostenible.
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