Número 39 | Cuarto trimestre 2014

A vista de dron

Resumen
 
Los drones, o RPA (Remotely Piloted Aircraft), son pequeños vehículos aéreos no tripulados que son manejados por radiocontrol. En estos artilugios, que pueden ser aviones o multicópteros, se instalan una serie de herramientas para realizar un determinado trabajo. Para los trabajos relacionados con el medio ambiente, las herramientas que se instalan son cámaras de alta resolución y sensores especiales de distinto tipo, dependiendo del trabajo a realizar. De esta forma, el vehículo aéreo puede hacer barridos de la superficie para, posteriormente, recopilar esta información y tratarla con un software, rebelándose entonces toda la información recogida por el RPA. 
Este RPA envía la información a una estación de tierra, que es un ordenador desde el que se monitoriza el RPA y la información que envía.
En la Región se han desarrollado algunos estudios con este tipo de tecnología, como en el proyecto LIFE de conservación de Astragalus nitidiflorus.


Las nuevas tecnologías están cada vez más implicadas en los estudios ambientales y en la gestión y ordenación de los recursos naturales. Prueba de ello son los numerosos estudios y análisis que se están realizando en todo el mundo con una de las herramientas más novedosas y espectaculares: los drones.

Los vehículos aéreos no tripulados (VANT), comúnmente llamados drones, han ido popularizándose desde finales del siglo XX hasta nuestros días por su versatilidad y la gran cantidad de aplicaciones a las que pueden ir destinados, sobresaliendo los fines militares y los científicos.
Sin embargo, en los últimos años ha ido creciendo su aplicación tanto en el área civil como en la comercial, incluso en la del ocio. 
Hace pocos años irrumpe en escena un nuevo concepto de vehículo aéreo no tripulado, el RPA (Remotely Piloted Aircraft), que es el más utilizado en el ámbito civil y en medios urbanos debido al temor que suscitaba en la gente la palabra dron, que automáticamente se asociaba a aplicaciones militares, por lo que es una cuestión más de tipo legal que práctica.
Otras aplicaciones, además de la militar y científica, son la vigilancia y el salvamento, la agricultura, la arquitectura, la topografía, la investigación de la fauna y la flora, la monitorización de cultivos, la cartografía, la arqueología, el sector de la minería, la hidrología, etc. 
Estos vehículos pueden configurarse de acuerdo a la aplicación o actividad que vayan a desempeñar, pudiendo ser equipados con gran variedad de herramientas para realizar sus tareas. 
Uno de los sectores en los que más auge está teniendo la utilización de estos vehículos aéreos es en el medio ambiente y en el control de los recursos naturales. Con estos vehículos se puede hacer el seguimiento de los ecosistemas mediante teledetección de forma mucho más precisa que la conseguida mediante vuelos tripulados tradicionales y satélites.
En la región de Murcia ya se están realizando vuelos fotogramétricos mediante el uso de vehículos aéreos no tripulados, lo que permite realizar barridos a muy baja altura para la adquisición de imágenes de alta resolución espacial mediante sensores RGB con píxeles que van desde los 10 cm a pocos milímetros, en función de la altura de vuelo y la plataforma utilizada (avión, multicóptero o fotografías desde tierra). Las imágenes son tratadas mediante avanzadas técnicas fotogramétricas, obteniendo como resultado diversos productos: ortoimágenes (fotografías simples corregidas sin efectos de perspectiva para mediciones exactas), modelos digitales de superficie de alta precisión (MDS, área volada tridimensional con coordenadas x, y, z para cada píxel de la imagen), nubes de puntos similares a las del Lidar (Laser Imaging Detection and Ranging), ortoimágenes multiespectrales que permiten observar ciertas bandas del espectro electromagnético TM2-Verde, TM3-Rojo y TM4-IR cercano que el ojo humano no es capaz de percibir, etc.
 


Estos vehículos pueden ir dotados de cámaras y sensores para recoger la información necesaria para los estudios


Metodología

La metodología es sencilla. La técnica fotogramétrica tiene como objetivo el conocimiento de las dimensiones y posición de objetos en el espacio a través de la medida o medidas realizadas a partir de la intersección de tres o más fotografías. Esta técnica genera, además de otros productos mencionados, una nube de hasta centenares de puntos por metro cuadrado, mucho más densa que la obtenida mediante Lidar, con la salvedad de obtener un solo rebote y no varios, como ocurre con la tecnología láser.

Aplicaciones medioambientales

Las aplicaciones de esta técnica permiten profundizar mucho más y obtener mayores resultados en el medio ambiente. La utilización de vehículos aéreos no tripulados permite dotar al dron, en su versión más ligera y sencilla, de cámaras capaces de fotografiar el terreno y de grabar en vídeo, pero también permite adaptar otro tipo de sensores, como por ejemplo el ya comentado para la obtención del infrarrojo cercano (IR), captando imágenes de la actividad fotosintética de la vegetación mediante la aplicación del índice NDVI (Índice de Vegetación Normalizada), aportando información sobre la cantidad, calidad y desarrollo de la vegetación desde un análisis cualitativo. 

Posteriormente, introduciendo los datos obtenidos (ortoimagen y modelos digitales del terreno) en un SIG (Sistema de Información Geográfica), podemos realizar mediciones por fotointerpretación, identificación y conteo de especies de flora a nivel de individuo, lo que hace muy sencillo realizar seguimientos de hábitats de interés en el tiempo, su evolución positiva o su regresión, pudiendo almacenar la información y compararla año tras año.
La integración de cámaras multiespectrales en las plataformas aéreas no tripuladas es una potente herramienta para la identificación de especies de flora gracias a la firma espectral, así como el estado fitosanitario de la vegetación (cultivos y forestal). También se pueden integrar cámaras térmicas en las plataformas que, en tiempo real, aportan la información mediante vídeo de puntos calientes en el terreno con interesantes aplicaciones en las labores de seguimiento después de un incendio forestal.
La aplicación de esta nueva tecnología aporta a técnicos, científicos e investigadores una herramienta poderosa que les permite obtener ortoimágenes, modelos digitales de superficie (MDS) e imágenes en infrarrojo cercano a muy baja altura con gran resolución de un modo más económico y rápido en comparación con las tecnologías disponibles hasta ahora (avión tripulado y satélite).
La irrupción de los RPAS o drones en el sector medioambiental ha introducido sustanciales mejoras en los sistemas de control, monitoreo y análisis de la información, como la generación de modelos digitales de terreno para el estudio de la erosión, o el análisis de la evolución de un territorio en relación a su riesgo geológico. Se han realizado ya interesantes estudios, como los realizados por la Dirección General de Medio Ambiente de Murcia tras el incendio de Salmerón del año 2012 (Tomé Morán, J.L. y Pérez Palazón, R. et al., 2014), donde se realizó un vuelo fotogramétrico con RPA (avión) en marzo de 2014 para el estudio y análisis de los procesos erosivos en las abruptas laderas de la sierra de Pajares (Moratalla) para, posteriormente, implementar las medidas correctoras contra la erosión.
En otros ámbitos, como en el de la gestión de la fauna (por ejemplo, para el censo de aves acuáticas), está teniendo un papel destacado, especialmente con aviones, ya que estos poseen motores eléctricos muy silenciosos, lo que permite la captación de información sin molestar a las aves. Además, se han utilizado en el seguimiento de las puestas y polladas de rapaces forestales y rupícolas, ya que algunos RPA, los multicópteros, son capaces de despegar en vertical y pueden tomar fotografías y/o vídeos de alta resolución del nido a una distancia prudencial para no molestar a los pollos (Potapov, E.R. & Utekhina, I.G.).
 


area de estudio


En algunos parques nacionales de África, la utilización de estos vehículos está permitiendo un mayor control de la caza furtiva, una de las principales lacras a las que se están viendo sometidos diversos territorios y que están poniendo en jaque especies como el elefante africano y el rinoceronte, que podrían desaparecer en menos de 10 años de seguir las actuales tasas de capturas ilegales (UNEA, 2014). Para luchar contra este expolio, los aviones RPA pueden ser equipados con cámaras de espectros visible e infrarrojo, que han demostrado su efectividad en seguimientos, según pruebas realizadas por el CSIC con RPAS (Remotely Piloted Aircraft System, que es el vehículo RPA y el sistema de control remoto), en la provincia sudafricana de Zululandia.
Asimismo, estos dispositivos también pueden ser empleados para labores de gestión forestal, utilidad demostrada por Getzin, Nuske y Wiegand (2014), permitiendo el estudio detallado del dosel arbóreo gracias a la nube de puntos clasificada, obtenida mediante fotogrametría avanzada, que nos permite llegar a 200 puntos por m2 con coordenadas x, y, z, quedando las copas perfectamente modelizadas con errores muy bajos en altura, en torno a 6 cm. Esta técnica puede convertirse con el tiempo en una herramienta básica para la ordenación de montes e inventarios forestales por su bajo coste y sus altos niveles de precisión y resolución.
Las obras forestales, como construcción de caminos, obras selvícolas de clareos, construcción de cortafuegos, fajas auxiliares, etcétera, pueden verse muy beneficiadas gracias al uso de RPAS para el control de las obras, realizando un seguimiento gracias a la comparación de ortoimágenes y modelos digitales de superficie, donde se podrá analizar que la obra se ha ejecutado correctamente, quedando un registro digital del seguimiento.
La aplicación de la técnica fotogramétrica también se ha aplicado al seguimiento de los ecosistemas, como los vuelos realizados para el Proyecto LIFE Astragalus nitidiflorus, dirigido por la Universidad de Cartagena (UPCT) y la Dirección General de Medio Ambiente, donde se volaron más de 300 ha y se aportó una información de crucial valor para el estudio del ecosistema en el que vive este taxón.

 
En la Región ya se ha usado esta tecnologóa para algunos estudios ambientales, como el Proyecto LIFE relativo a la conservación de la especie protegida Astragalus nitidiflorus


La topografía y la cartografía son otras de las aplicaciones de esta tecnología, aportando:
 
  • Gran flexibilidad: las plataformas RPA permiten cerrar la brecha entre la recolección de datos terrestres y aéreos. 
  • Mayor precisión y calidad: la alta resolución de las fotos tomadas a baja altitud permite obtener modelos digitales del terreno con mayor nivel de detalle. Al tratarse de vuelos a baja altura, la capa de la atmósfera que ha de recorrer la luz reflejada es mucho menor, por lo que casi no es necesario la aplicación de correcciones radiométricas.
  • Ahorro de tiempo: el levantamiento topográfico se puede completar en cuestión de horas (hasta 1000 hectáreas diarias) en comparación a los métodos de topografía terrestre y fotogrametría tradicional. Asimismo, al tratarse de vuelos a baja altura, es posible volar en condiciones en las que no podrían hacerlo aviones tripulados o satélites.
  • Reducción de costos operativos: el levantamiento topográfico toma menos tiempo y menos recursos. La ausencia de personal de a bordo y su escaso mantenimiento hacen de este sistema el más barato para la adquisición de imágenes aéreas de alta resolución.
  • Mejoras en seguridad: el uso de un RPA puede eliminar o reducir la necesidad de acceder a zonas peligrosas.
  • Facilita la toma de decisiones basada en información relevante y actualizada.
  • Manejo de mayor información: fotografías verticales y oblicuas combinadas, levantamientos topográficos precisos, modelos digitales del terreno, nubes de puntos, análisis volumétrico, etc.


relieve obtenido con dron

Equipo necesario

El equipo necesario para poder operar con un RPA es:

  • Un avión o multicóptero equipado con un piloto automático y GPS para poder programar vuelos fotogramétricos totalmente autónomos.
  • Emisora de RC (radiocontrol).
  • Una estación de tierra, que generalmente consta de un ordenador portátil con un software de planificación de vuelo y una antena de seguimiento para la recepción de la telemetría del vuelo en tiempo real. Esto permite tener monitorizado el RPA en todo momento en un radio de hasta 4 km, aunque la normativa actual solo permite un radio de 500 m y una altitud de 120 m sobre el terreno con RPA de más de 2 kg.
Los RPA suelen ser eléctricos, propulsados por pequeños motores brushless (sin escobillas) de gran potencia y eficiencia, alimentados por baterías LIPO (polímero de litio) de gran capacidad de carga, especialmente para el avión, proporcionando una importante autonomía de vuelo, llegando a superar la hora de vuelo sin problemas.
Las plataformas cumplen estrictamente el plan de vuelo marcado hasta que el piloto retoma el control una vez terminado el plan de vuelo planificado para aterrizarlo. El despegue y el aterrizaje pueden programarse para ser automáticos, aunque es recomendable hacerlo de forma manual, especialmente en áreas abruptas o muy arboladas para garantizar el éxito de la operación.
En los vuelos en los se requiere un producto con una georreferenciación muy precisa se ponen una serie de dianas en el terreno. El punto central de estas dianas se toma con un GPS de doble frecuencia (tipo RTK), variando el número de dianas según la superficie y el desnivel del área de estudio. Estas coordenadas, generalmente tomadas en UTM ETRS89, son introducidas posteriormente en el software fotogramétrico para el escalado y georreferenciación del modelo.
El planificador de vuelo permite establecer un polígono sobre el área de estudio. Este polígono nos permite introducir los parámetros de vuelo necesarios para la obtención de las imágenes con las características requeridas, así como el tipo de cámara que vamos a montar a bordo y sus características técnicas de sensor (resolución, dimensiones del sensor, etc.). También las características del objetivo que vamos a utilizar, solape requerido entre las fotos, altura de vuelo, velocidad de crucero del RPA, etc. Una vez introducidos estos datos en el planificador, este nos genera un plan de vuelo de forma automática con una serie de calles que el RPA deberá sobrevolar estrictamente. Este plan de vuelo se introduce en el piloto automático del RPA, donde van todos los parámetros necesarios para la correcta realización del vuelo.
El sistema de piloto automático tiene implementado una serie de failsafe (medidas de emergencia) en función del problema detectado. Por ejemplo, si el RPA se encuentra en vuelo y la batería está por debajo del 25% de su capacidad, la plataforma aérea vuelve al punto de partida desde donde despegó. Ocurre lo mismo en caso de pérdida de la telemetría o de la perdida de señal RC, volviendo al punto de partida.
El equipo utilizado por la Dirección General de Medio Ambiente ha volado más de 800 hectáreas en un día, y en una ocasión en condiciones de vientos de más 45 km/h, aunque no es recomendable volar con más de 20 km/h de viento para la correcta ejecución del plan de vuelo.
Los RPA van provistos de cámaras de vídeo de alta resolución en color con enlace directo a la estación de tierra, permitiendo observar al piloto en tierra y al técnico de la estación de tierra lo que el RPA está sobrevolando en directo, pudiendo mover la cámara de a bordo por control remoto hacia cualquier punto de interés.
En definitiva, al tratarse de una tecnología en plena efervescencia, es posible que durante los próximos años seamos testigos de una auténtica avalancha de utilidades y usos orientados hacia un mayor control del medio ambiente. La mayor rapidez en la toma de datos, la simplificación en el proceso de análisis y la reducción de los costes que conlleva el uso de esta tecnología deberían redundar en una toma de decisiones más eficaz y ágil por parte de técnicos y científicos.

Legislación

Hasta hace poco, España carecía de un marco legal para este tipo de actividades. Debido a la rápida evolución de los usos de los drones, existe ahora un marco regulatorio legal para el uso civil de RPA, establecido en el Real Decreto Ley 8/2014, que exige título de piloto de RPA (básico y/o avanzado), seguros de responsabilidad civil, manual de operaciones, manual de seguridad aérea, manuales de caracterización de las aeronaves, placa visible e indeleble de identificación legible que identifique la aeronave y nombre de la empresa operadora, con sus datos de contacto y limitaciones en los lugares a sobrevolar por los drones de menos de 25 kg, siempre fuera de espacio aéreo controlado, suelo urbano o aglomeraciones de personas, etc., para que las aplicaciones de estas aeronaves sea legal y con todas la garantías de seguridad aérea.



Fuentes:
Hábitat. Estudios Ambientales, S.L.

Artículos relacionados:
- La Región de Murcia desde el espacio. Murcia enclave ambiental, nº 3 (2004), pág. 14-19.
- Tecnología espacial para muestreos ambientales. Murcia enclave ambiental, nº 13 (2006), pág. 34-37.

Vehículo aéreo no tripulado
Antena de radiocontrol
Imágenes obtenidas con sensores infrarrojos
El detalle de los muestreos permite incluir líneas de nivel
Dron en tierra
Los drones incorporan para sus análisis la tecnología más avanzada
La gestión del medio ambiente se apoya cada vez más en estas tecnologías
Técnico manipulando un dron
Imagen en relieve obtenida con drones