Introducción

Producidos originalmente en el entorno militar, los drones o vehículos aéreos no tripulados son cada vez más comunes en nuestra sociedad, usándose con propósitos recreativos, académicos e industriales (Eid et al., 2013). En poco tiempo estos aparatos tecnológicos han pasado de utilizarse solo como un arma en ataques militares a convertirse en un regalo de navidad para un niño. Un dron es casi todo lo que esté en el aire sin un piloto; un globo con un termómetro, un multicopter con una cámara GoPro o un avión militar portador de misiles, son ejemplos de ellos. Son ‘vehículos’ que pueden adoptar diferentes formas y que, dependiendo del modelo, pueden ser dirigidos por control remoto o incluso volar de forma autónoma utilizando un GPS (Pike, 2013; Boucher, 2016).

El término genérico que se utiliza para denominar a estos aparatos tecnológicos es el de vehículo aéreo no tripulado (VANT) o unmanned aerial vehicles (UAV) en inglés. Técnicamente, los drones y los VANT/UAV son lo mismo, aeronaves no tripuladas; sin embargo, existen diferentes denominaciones para estos aparatos dependiendo de sus características o utilidades, siendo que en el mundo de los vehículos aéreos no tripulados se utilizan infinidad de siglas y palabras, lo cual lleva a la confusión y su incorrecto uso (Burgos y Salcedo, 2014; Watts et al., 2012; Boucher, 2016; Griffin, 2014).

La autonomía de estos aparatos tecnológicos puede variar según la cantidad de combustible del que dispongan, pero en los modelos más pequeños las baterías pueden llegar a durar entre los 30 y 60min. Además van equipados con GPS y giroscopios de tal manera que muchos modelos, si detectan algún problema o pierden la señal con el operador, pueden regresar automáticamente a su base. El piloto maneja la nave a través de rutas y coordenadas que definen el trayecto, aunque en los modelos más sencillos se puede llegar a realizar esta labor a través de un joystick de radiocontrol (Escamilla, 2010).

Los dos tipos principales de aviones no tripulados son el multicopter y el de ala fija. Los ‘multicopters’ son capaces de mantenerse y volar a muy bajas altitudes y velocidades, siendo adecuados para aplicaciones tales como la fotografía aérea, las inspecciones de líneas eléctricas, la realización de videos aéreos y la fotografía detallada de objetos (Watts et al., 2012). Los ‘drones de ala fija’ pueden volar a más altitud y sirven para aplicaciones de mayor alcance, tales como el levantamiento topográfico y la cartografía de grandes regiones, o el control de grandes infraestructuras como diques.

Con el paso del tiempo han ido y seguirán surgiendo diferentes aplicaciones para este tipo de aparatos. En la actualidad ya es posible visualizar las imágenes a tiempo real de los drones desde un Smartphone al mismo tiempo que se controla el aparato. El uso de aviones no tripulados para capturar datos de una imagen permite que las operaciones se planifiquen de manera flexible y rápida, lo que garantiza que los productos de dicha imagen estén disponibles en un tiempo relativamente prudente. Su altitud de vuelo es factible de manejar; de tal manera que los aviones pueden volar incluso bajo las nubes pesadas (Rakha y Gorodetsky, 2018).

Aplicaciones de los VANT´s

El desarrollo tecnológico acelerado en el campo de la aeronáutica ha hecho a estos aparatos más pequeños, más silenciosos, de vuelo más ágil, complejos y con cámaras tan nítidas como potentes. Debido a estos avances los drones pueden ser utilizados para ampliar la capacidad de observación o de intervención desde, o en, espacios inaccesibles o que simplemente ponen en riesgo la vida humana. Una de las características más significativa que ofrecen los drones es la capacidad de acceder a lugares donde el ser humano no puede llegar (Entrop y Vasenev, 2017;Rodrigues et al., 2017).

En la actualidad los drones son utilizados para patrullar fronteras o por equipos de policías para vigilar una ciudad. Este hecho ha ocasionado un debate social que enfrenta diferentes opiniones a nivel mundial sobre la seguridad, la humanidad, la ética y la guerra (Sánchez, 2015; Boucher, 2016).

Unas de las aplicaciones más comunes en ingeniería civil es el uso de drones para realizar mediciones topográficas en zonas de difícil acceso. Las funciones de estos dispositivos en este tipo de actividades son principalmente dos. Por un lado, pueden fotografiar con gran calidad y detalle una zona determinada y por otro lado, existen muchos drones equipados con un láser que pueden llegar a realizar una descripción del terreno, a través de una nube de puntos que luego se pasa a un plano o a un mapa (Watts et al., 2012;Piatti y Lerma, 2013;Lucieer et al., 2014; Turner et al., 2016).

Su uso con respecto al medioambiente demuestra que estos aparatos pueden garantizar la protección del mismo, no solo desde la vigilancia y el control sino también para combatir de forma activa la contaminación (Pellicer y Serón, 2002).

Además pueden registrar la evolución de la vegetación en áreas repobladas después de un incendio, el estudio de plantas en peligro de extinción o llevar a cabo el seguimiento de la fauna. La agricultura podría ser otro de los principales impulsores de drones para usos civiles, ya que permite el control y monitoreo del estado de cultivo mediante imágenes, así como para otras actividades relacionadas con el sector (Mesa e Izquierdo, 2015;Sánchez-Sastre et al., 2016).

Es por ello que se puede afirmar que con estos dispositivos el ser humano es capaz de realizar innumerables tareas, tales como la ayuda de misiones de búsqueda y rescate, la revisión de líneas de alta tensión y aerogeneradores, comprobación del estado de los edificios, monumentos y otras estructuras, control del estado de impacto de las obras, control de tráfico y fronteras, realización de fotografías turísticas en 360 grados, detección de bancos de atunes y grabación y emisión aérea de videos en tiempo real (Eid et al., 2013; De Bruin y Booysen, 2015).

Las funciones anteriormente mencionadas y muchas otras se suman a las tecnologías que en la actualidad está ganando seguidores tanto en el área civil, como comercial y de entretenimiento (Rodríguez, 2015). Los VANT han funcionado para la rama de la ingeniería civil en inspecciones de infraestructuras (Dupont et al., 2017), investigación atmosférica, levantamientos topográficos, filmación de películas y fotografía, eventos deportivos, cultivos de precisión, control de caza, localización de bancos de pesca, mantenimientos de parques eólicos e infraestructuras energéticas, control medioambiental, gestión de riegos y desastres naturales, exploración geológica-minera, etc. (Ramos y Montesinos, 2015; Seo et al., 2018;Rakha y Gorodetsky, 2018).

Aplicaciones en cartografía y topografía

Como se ha mencionado, los drones se usan para el control de obra, control de acopio y para visionado de imagen aérea de 360º; principalmente para obtener topografía aérea mediante técnicas de fotogrametría. De esta manera se pueden estudiar obras en su fase de licitación, realizar cálculos de volúmenes y superficies en acopios, control de certificaciones, estudio de patologías como deslizamiento de taludes y realizar seguimientos.

El sector de la construcción siempre ha estado en la búsqueda de reducir sus costos para poder ganar licitaciones de obras; esto ha dado pauta a la inclusión de nuevas tecnologías como los drones; se ha investigado como combinar su uso aplicado a la captura de información periódica para el control y seguimiento de las obras civiles como carreteras y vías férreas (Sánchez, 2015; Rakha y Gorodetsky, 2018).

El uso de drones en la cartografía contribuye a la obtención de datos espaciales en un periodo corto de tiempo con una alta resolución espacial a un costo reducido; anteriormente todo dependía de la disponibilidad de los satélites, de aviones tripulados o de la cartografía realizada a pie. Con los datos obtenidos a partir de los sensores se pueden crear mapas catastrales mediante la digitalización de las orto fotografías geo referenciadas. Esta tarea se puede realizar con AutoCAD, ArcGIS o cualquier cliente SIG (Morales, 2016). Hoy en día las aplicaciones de los drones para la cartografía son múltiples abarcando diversos campos del conocimiento como el medio ambiente, la agricultura, las actividades industriales, el urbanismo, etc. (Hassanalian y Abdelkefi, 2017).

Con la fotogrametría se pueden obtener modelos digitales en 3D de objetos y superficies, con secuencias de imágenes 2D e información de sensores de movimiento. Las imágenes resultantes de este proceso son analizadas por algoritmos computacionales que realizan una triangulación de los puntos superpuestos de las imágenes, usando su posición geográfica relativa (James et al., 2017).

Cuando se utilizan drones para un levantamiento, cambia la forma de trabajar. No es necesario definir una serie de puntos a medir, se modela de una vez toda el área de trabajo, y más tarde los puntos necesarios se miden cómodamente en el modelo. Esto elimina el riesgo de tener que volver a hacer trabajo de campo si hacen falta nuevas medidas. Los topógrafos tradicionales también pueden complementar su trabajo con un modelo topográfico generado por un dron (Gonçalves y Henriques, 2015; Agüera-Vega et al., 2017).

Aplicaciones en hidrología

Las imágenes de satélite se han utilizado en la gestión del agua durante décadas para realizar una variedad de tareas, tales como los inventarios de uso de la tierra o la cartografía de daños después de inundaciones. Hoy en día, los gestores del recurso hídrico utilizan esta información espacial para prevenir o cuantificar todo tipo de parámetros relacionados con el uso del agua, las sequías, las inundaciones, etc. Para muchas de estas aplicaciones, la teledetección satelital no resulta del todo óptima, ya que a menudo se ve obstaculizada por las nubes, unas resoluciones espaciales reducidas y una escasa frecuencia de paso. Por otro lado, la adquisición de los datos de campo está igualmente restringida por limitaciones de acceso o el elevado costo de las campañas o el instrumental de campo.

La tecnología desarrollada originalmente para actividades con clara vocación bélica está ahora lista para ser utilizada en aplicaciones civiles y de apoyo a la gestión de los recursos hídricos. Después de la hidrología isotópica y el uso de satélites y plataformas aerotransportadas, los llamados drones, o vehículos aéreos no tripulados, han llegado a la fase de ser rentables en el suministro de información útil y actualizada sobre los recursos hídricos y la infraestructura hídrica.

Un buen ejemplo de cómo los drones pueden apoyar la gestión sostenible del agua y pueden tener un gran impacto es su uso en la vigilancia de los glaciares. Muchos glaciares se están reduciendo en superficie y tamaño como resultado del calentamiento global. Hay una clara necesidad de disponer de métodos precisos que puedan aplicarse con frecuencia con el fin de mejorar la comprensión de la compleja dinámica de estos sistemas. Tradicionalmente los glaciares son monitoreados utilizando técnicas de perforación y sondeos que son altamente costosos, o imágenes de satélite de alta resolución. Los drones pueden utilizarse para cartografiar la extensión de los glaciares con alta precisión utilizando un mosaico de imágenes de alta resolución (Leary, 2017). Esta información también proporciona importantes pistas sobre los cambios que se producen en la superficie de los glaciares, como lo son el desarrollo de los estanques, los acantilados de hielo, escombros y grietas. La aplicación de técnicas de superposición de imágenes (estereoscopía) sobre las fotografías adquiridas con drones, permite obtener modelos digitales de elevaciones muy precisos. El uso regular de drones en estos ambientes permite igualmente evaluar las tasas de sublimación (deshielo) de las masas glaciares. (Hunink, 2015;Lucieer et al., 2014).

Aplicaciones en ecología

El correcto inventariado y seguimiento de los estados de las comunidades vegetales presentes en los ecosistemas naturales resulta crítico para la gestión óptima de las reservas naturales (Schofield et al. 2017). Para registrar los cambios sucesivos, los gestores de reservas naturales suelen hacer levantamientos cartográficos de la vegetación natural a intervalos regulares de entre tres y cinco años. Sin embargo, las reservas son a menudo inaccesibles y extensas, lo que requiere invertir mucho esfuerzo y tiempo, a elevados costos, para obtener aquella información a escala de paisaje. Los drones se están utilizando en varios países para controlar la vegetación natural con base a la información en el espectro óptico e infrarrojo, con resoluciones espaciales de hasta 5cm (Zarco-Tejada et al., 2014). Los drones también proporcionan mapas de elevación de alta resolución para conocer la altura estructural, la rugosidad de la vegetación y producir una clasificación de la vegetación muy detallada. También se están utilizando ya los drones para vigilar el estado de la sequía en los bosques y áreas naturales de cara a la prevención de incendios (Odgen, 2013; Cruzan et al., 2016).

Ventajas al utilizar VANT´s

Los drones y sus características permiten cubrir las necesidades en el control de la obra recogiendo bondades tanto de la topografía clásica como de la fotogrametría, reduciendo considerablemente sus inconvenientes. Según Campo-Molinuevo (2015) los drones, la integración de los sensores adecuados y el diseño de la metodología de captura correspondiente permiten:

Obtener datos muy precisos o no tantos datos: El juego de alturas de vuelo y precisiones de los sensores embarcados permite equilibrar la precisión del dato adquirido y así adaptarlo a las necesidades reales del proyecto.

Realizar vuelos repetitivos: Se pueden hacer tomas de datos recurrentes puesto que sus costos no se van a incrementar. Esto a su vez permite tener datos sistemáticos de toda la obra en series temporales.

Procesar solamente lo necesario: Al realizar la toma de datos sistemáticos de toda la obra se procesan, en cada caso, los datos que se requieran teniendo la posibilidad de transformar en información los datos almacenados.

Evitar pérdidas: Para posteriores tratamientos. Trazabilidad completa de la obra.

Control visual: Aquí aparece un valor añadido; los mismos datos de toma geométrica posibilitan el análisis global de la obra de forma visual ya sea con fotografías panorámicas sin carácter métrico como con ortofotografías.

Obtener datos continuos: Al tratarse de un método de toma de datos masivos, como lo es fotogrametría, no se tienen datos discretos no interpolados. Son datos homogéneos tanto en calidad como en cantidad.

Minimizar costos: Tanto los instrumentos de medición así como las licencias de cálculo tienen costos reducidos.

Posibilidad de gestión interna: La planificación, el vuelo y el proceso de datos pueden realizarse por un solo operador.

La inclusión de los drones en obra permite hacer de forma sistemática, precisa, rápida y económica el seguimiento de las obras, ya sea con carácter métrico para realización de certificaciones y proyectos, o como para seguimiento visual del proceso constructivo mediante la realización de vuelos regulares que permitan tener una vista global de la obra a lo largo de toda la línea temporal de la misma para su análisis. La unificación de los datos en cuanto a calidad, homogeneidad temporal y capacidad de procesamiento y análisis en series temporales, hace de los drones una herramienta muy apropiada para el control de las obras y el análisis del impacto en las mismas (ATyges, 2014).

La variedad de aplicaciones de drones en las obras se amplía considerablemente en el momento que se empieza a trabajar con otro tipo de sensores. Como ejemplos de ello se tiene: 1) Análisis de impacto ambiental en la obra: En el entorno de afección de la obra se puede analizar el estado de la deforestación de forma recurrente para analizar si se ha visto afectada o no por la actividad constructiva. Del mismo modo se pueden detectar vertidos de contaminantes, voluntarios o no, que puedan darse a lo largo del proceso de explotación en arroyos, lagos, etc. 2) Análisis del estado de materiales: Los materiales constructivos pueden sufrir degradaciones y efectos de origen provocados por la interacción con el medio ambiente a lo largo de su vida útil. Estos cambios producen diferencias en la oposición de los materiales a una iluminación dada. Mediante el juego de filtros de distintas longitudes de onda se pueden llegar a aislar e identificar estos fenómenos, lo que a simple vista difícilmente se podría lograr.

Los drones presentan ventajas que los han convertido en firmes apuestas a sustituir o complementar la actividad del ser humano en multitud de ámbitos. En la mayoría de los casos la ventaja principal es la flexibilidad de uso del recurso que representa el vehículo y la reducción del riesgo para la vida humana; en otras aplicaciones, a estas ventajas se suma la simplicidad de uso y la reducción de costos respecto a otras soluciones posibles (Green et al., 2019). Adicionalmente se obtiene (Zcopters, 2015):

Seguridad. No es necesario que el operario lleve personalmente la estación a lugares arriesgados.

Mayor cobertura. Algunos puntos son sencillamente inaccesibles para las personas. Un saliente en medio de un acantilado o un claro rodeado de árboles no son problema para un dron.

Más información. Un levantamiento tradicional consigue determinar una serie de puntos que sirven para crear un plano preciso. El levantamiento topográfico de un dron captura a la vez millones de puntos y le añade además la información de color de las fotografías, con lo que consigue nubes de puntos de alta resolución que muestran la apariencia real del terreno.

Existe un gran potencial para la manufactura de drones y en la actualidad se tiene una capacidad muy grande en electrónica avanzada. De igual manera se está presentando un cambio generacional enorme; los drones tendrán que adaptarse a nuevas aplicaciones. Hoy en día se espera que un dron realice diversas funciones, por lo que el mercado de vehículos aéreos no tripulados crece como la espuma y se exigen cada vez más innovaciones.

Los expertos aseguran que el negocio de esta tecnología incipiente tardará pocos años en madurar; como se ha mencionado, se está utilizando para cartografiar, fotografía profesional, en medios de comunicación y en vigilancia de eventos masivos. Los drones se aplican en diferentes áreas, desde la seguridad pública que se lleva acabo para la inspección y monitoreo en lugares en los que se realizan eventos masivos como carnavales y ferias populares, hasta la inspección de luminarias, de fuentes de energía y alta tensión (Robles, 2015). También se emplean para fotografía y video, en conciertos y en construcción; otros que la emplean son peritos y periodistas.

En las universidades y centros de investigación los drones juegan un papel importante, ya que llevan la robótica y programación un paso adelante.

Los drones participan en proyectos de agricultura, ganadería y pesca, donde las famosas cámaras IR multiespectrales montadas en un equipo permiten la comparación entre las diferentes zonas del suelo examinado para ayudar a la selección de los lugares para la siembra.

Actualmente los drones y sus servicios son usados por empresas para sus actividades propias, y también para ofertar servicios a externos.

La apertura para volar los drones es amplia; solo existen restricciones para no hacerlo en aeropuertos. De hecho, en el monitor del mismo equipo los operadores pueden visualizar las zonas rojas de prohibición.

Con el uso de drones se dará un paso en materia de recaudación, pues no se descarta el uso de estos equipos para la captura y reproducción de las tomas de registro de predial y catastro. Los drones recolectarían la imagen de manera tridimensional por medio de una cámara que se encuentra en la parte superior; el equipo podría capturar varios polígonos municipales, lo que además serviría para hacer actualizaciones constantes en el servicio. Autoridades municipales consideran que sería conveniente invertir una buena cantidad de dinero en la adquisición de un dron, en lugar pagar la contratación de un vuelo aéreo; la idea es optimizar recursos gestionando una nueva propuesta de inversión de acuerdo con un estudio y compararla con la propuesta de un proveedor de dicha tecnología (Robles, 2015).

Conclusiones

Si bien los drones son sistemas que se están volviendo muy populares en los últimos tiempos y su inclusión en cualquier proyecto técnico puede ser muy atractiva, al menos debe cumplir alguno de los supuestos que se consideran para el uso de estos sistemas: que sea económicamente viable a los propósitos de la aplicación; que remplace métodos peligrosos para eliminar riesgos en la aplicación y que pueda colocarse un sensor en lugares inaccesibles.

Pensar que los drones son una herramienta útil y eficiente para obtener datos de áreas inaccesibles parecería lógico, por lo que limitar su uso para explorar y documentar elementos inaccesibles en el exterior y en interiores, como bóvedas o huecos, sería lo conducente. Entonces, la exploración y documentación de elementos más accesibles, en áreas abiertas, podría realizarse con el uso de otros medios y metodologías más desarrolladas; entre ellas están técnicas como la fotogrametría terrestre, los escáneres láser o incluso la topografía clásica, cuya precisión alcanzable puede ser mayor.

En algunas circunstancias, la combinación de metodologías generalmente da buenos resultados si se aplican de manera correcta tomando en consideración las precisiones alcanzables para los estudios que se lleven a cabo. El diseño de las exploraciones puede realizarse adaptando estas a diferentes propósitos según sea el caso; por ejemplo, vuelos para localizar problemas particulares utilizando diferentes sensores adaptados a los drones y para realizar fotogrametría para generar elementos bi o tri-dimensionales e inventarios visuales por medio de fotografías y videos de alta resolución.

El plan de vuelo debe elaborarse en función de la exploración que se pretenda desarrollar, las características del dron con sus accesorios adaptados a utilizar y la dificultad de acceso y los elementos en cuestión. Se requiere tener un conocimiento de la tecnología que se utilizará sin que esto implique eliminar o sustituir técnicas sacrificando operadores a un mínimo costo; se pueden combinar técnicas y métodos para obtener mejores resultados a bajo costo.

Así como es necesario tener un conocimiento a detalle del plan para la ejecución del vuelo, se requiere un amplío dominio del tema para el procesamiento e interpretación de los datos e información que se obtengan de las campañas exploratorias. Pueden presentarse múltiples aplicaciones con la obtención de resultados muy complejos; por lo tanto, es preponderante considerar las necesidades del estudio particular que se lleve a cabo.

Independientemente del tipo de dron que se trate, su aplicación se encuentra en continua expansión. Actualmente es muy común encontrar noticias sobre nuevas aplicaciones en las redes y medios de comunicación, así como modelos de negocio generados en función del uso de estos vehículos no tripulados. Como es lógico, su aplicación se ha extendido también a multitud de campos de la ingeniería civil y geociencias.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo de las autoridades de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Yucatán y de la Unidad Química-Sisal, Universidad Nacional Autónoma de México. Esta publicación es una contribución al proyecto de Integración de Redes Temáticas de Colaboración Académica denominado “Identificación de Descargas de Agua Subterránea en Celestún, Yucatán: Aplicación de Vehículos Aéreos no Tripulados en Estudios Hidrológicos” (Clave SISTPROY: FING-2015-003), financiado por el Programa para el Desarrollo Profesional Docente (PRODEP), Dirección General de Educación Superior Universitaria, Secretaría de Educación Pública, México. Especial agradecimiento al Programa de Apoyo al Desarrollo y Consolidación de los Cuerpos Académicos (PADECCA) de la Coordinación General del Sistema de Posgrado, Investigación y Vinculación de la Universidad Autónoma de Yucatán, México.

DRONES. APLICACIONES EN INGENIERÍA CIVIL Y GEOCIENCIAS

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Notas de autor

roger.gonzalez@correo.uady.mx