La Tierra a vista de pájaro: uso de drones (UAVs) para el estudio y difusión de la Geología

Los drones o UAVs (del acrónimo anglosajón Unmanned Aerial Vehicles) son aeronaves tripuladas por control remoto que facilitan la captura de información digital para el estudio de una gran variedad de casos con interés geológico. En la actualidad, las aeronaves de bajo coste permiten acceder a zonas remotas o de difícil acceso para la elaboración de trabajos cartográficos de detalle de forma autónoma, eficiente y a un coste asequible, en comparación con los métodos aerotransportados tradicionales instalados en avionetas y helicópteros. Estas herramientas tecnológicas suministran información para su uso científico y representan un medio cada vez más extendido para la difusión, documentación y conservación de elementos del patrimonio geológico y minero.

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Desde el origen de la aviación a principios del siglo xix, los vehículos aéreos no tripulados han revolucionado la industria aeroespacial proporcionando una gran diversidad de herramientas para la captura de información analógica y, en los últimos años digital. La posibilidad de incorporar diferentes sensores, de dimensiones y pesos cada vez más reducidos, ha abierto un amplio abanico de campos para investigadores e ingenieros. Aunque originalmente fueron concebidos para cubrir las necesidades militares, siendo los primeros prototipos desarrollados por los ejércitos de Alemania y Estados Unidos a principios de 1930, su desarrollo actual en el mercado de la aviación civil ha proyectado nuevos retos en diversas disciplinas como la agricultura de precisión, la geomática, la ingeniería, la arqueología o las ciencias de la tierra.

Según la Asociación Internacional de Vehículos no Tripulados (AUVSI), el impacto económico en el sector comercial de los drones alcanzó en 2016 los 2.3 billones US$, y se estima que para 2025 esta cifra podría aumentar por encima del doble en sectores como las infraestructuras, la agricultura, la seguridad o la minería. Gracias al avance en la investigación geomática y la robótica, la entrada en el mercado de toda una gama de sensores aerotransportados ha facilitado la apertura hacia nuevos campos de estudio. Estos sensores han proporcionado un rápido desarrollo en la teledetección espacial, destacando los de tipo pasivo (aquellos que reciben la energía procedente de un foco externo) constituidos por cámaras fotográficas, térmicas y espectrales; y los sensores activos que emiten su propio haz de energía: LiDAR (Light Detection and Ranging), radar, radiómetros micro-ondas, etc.

El avance tecnológico ha impulsado la fabricación de drones, cada vez más pequeños y con mayores autonomías de vuelo, facilitando la realización de trabajos aéreos de forma más efectiva y segura. A este rápido desarrollo han contribuido significativamente la mejora de las aplicaciones informáticas para la captura de datos y su posterior tratamiento, reduciendo los costes y el tiempo de procesado de la información digital adquirida. Con todo ello, el futuro de los drones está garantizado, siendo cada vez más versátiles para la realización de vuelos en zonas de difícil acceso, áreas con fuertes variaciones topográficas o lugares remotos donde los trabajos aerotransportados convencionales realizados mediante el uso de avionetas o helicópteros no permiten el acceso o suponen un coste elevado para el desarrollo de las campañas de investigación.

Figura 1. El uso de aeronaves no tripuladas para el estudio científico y difusión de la geología abre un nuevo abanico de posibilidades para el desarrollo de las Ciencias de la Tierra.

Trabajos aéreos y tipos de drones

Los aspectos más importantes a tener en consideración a la hora de realizar trabajos aéreos con drones pasan por conocer el entorno en el que se desarrollará el vuelo y la superficie total que debe ser cubierta. También será necesario tener presente el tipo y complejidad del estudio que se va a llevar a cabo, ya que condicionará las características aerodinámicas del dron que utilicemos, así como la autonomía necesaria para completar el mismo. Existen tres tipos principales de drones:

  • Ala fija: son aquellos drones que pueden cubrir grandes extensiones de terreno, llegando a superar labores de mapeo por encima de las 800 ha en un único vuelo y con una autonomía superior a los 50 km de recorrido. Suelen tener cámaras frontales o cenitales y son especialmente útiles para trabajos fotogramétricos. Sin embargo, por sus dimensiones y disposición de las alas maniobran mal en espacios pequeños (Figura 2a).
  • Ala rotatoria: suelen presentar un tamaño y autonomía inferior a los anteriores (tamaños que varían entre unos milímetros a varios metros y tiempos de vuelo máximo en 1h). Son aparatos que cubren, por tanto, áreas reducidas en cada vuelo (20-30 ha). A diferencia de los anteriores, pueden mantenerse estabilizados en el aire e incorporan una cámara con un compensador que permite el giro. Son aparatos que maniobran bien en espacios pequeños, por lo que los hacen especialmente útiles para la elaboración de cartografías de edificios o superficies de difícil acceso y/o muy vegetadas (Figura 2b).
  • Ala mixta: aparatos con características intermedias entre los dos tipos anteriores.
Figura 2. a) Plataforma para lanzamiento de un dron de ala fija (Cortesía del Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales, Sevilla). b) Montaje y supervisión de un dron de ala rotatoria durante una campaña de documentación de patrimonio paleontológico.

En nuestro país, la legislación vigente regula el uso de las aeronaves no tripuladas a través de la Ley 18/2014, de 15 de octubre, de aprobación de medidas urgentes para el crecimiento, la competitividad y la eficiencia. Los drones contemplados en esta normativa están por debajo de 150 kg (Clase-1) siendo necesaria una licencia adicional para aquellos aparatos que superen los 25 kg. Además, entre los requisitos principales para la realización de trabajos aéreos, es necesaria la obtención de una licencia de piloto, un seguro de responsabilidad civil y la certificación como operador a través de la Agencia Estatal de Seguridad Aérea (AESA, 2017). El incumplimiento de esta normativa puede suponer penas que alcanzan los 250.000 €. Para una descripción más detallada de estos aspectos puede consultarse el trabajo publicado recientemente por Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso (2016b).

 “Volar o no volar”, esa es la cuestión

En los últimos años, el rápido desarrollo tecnológico en el ámbito aeroespacial ha impulsado el despegue en el mercado de los drones. Las nuevas mejoras técnicas que incorporan reducen sus limitaciones y aumentan la seguridad de los vuelos, manteniendo mayores prestaciones con costes cada vez más bajos. El uso de sensores de ultrasonidos y el reconocimiento de texturas posibilita la estabilización y el control de la aeronave permitiendo la captura de información sin contratiempos, especialmente en lugares cerrados (interiores, zonas boscosas), donde la señal G.P.S. se ve comprometida por errores de posicionamiento debido a retrasos en la llegada de la señal y las redundancias producidas como consecuencia de retrasos ionosféricos y atmosféricos, errores en el reloj de satélite, efecto multi-trayectoria por refracciones de la señal en fondos de valle y zonas boscosas, o incluso por la denominada dilución de la precisión debido a las variaciones en la distancia de los satélites.

Aunque los G.P.S. de consumo integrados en las aeronaves son cada vez más precisos, especialmente aquellos que combinan la señal proporcionada por los Sistemas Globales de Navegación por Satélite del GPS americano y el Glonass ruso (en el futuro estará también disponible la red europea de satélites Galileo, cuya implantación completa se prevé para 2020), el error de posicionamiento puede superar los 5-10 m, insuficientes en muchos casos para la realización de trabajos cartográficos de precisión. Por esta razón es necesario el uso de otras herramientas geomáticas de apoyo en tierra como el G.P.S. diferencial o la estación total. Además de estos elementos de seguridad, los drones incorporan un sistema de medición inercial o dispositivo electrónico que mide la velocidad, orientación y fuerzas gravitacionales que afectan al aparato durante el vuelo.

Todos estos sistemas ayudan al control de la aeronave. Sin embargo, es necesario tener presente que, factores como la meteorología o el relieve montañoso, van a tener un fuerte impacto en la seguridad y calidad de la información adquirida durante el vuelo. Así, la lluvia o el viento (rachas superiores a 20 m/s) condicionan la sustentación y comprometen la estabilidad del aparato en el aire. Estas condiciones son especialmente cambiantes en zonas montañosas, donde los vientos están influenciados por el relieve, la cantidad de insolación recibida por las laderas, la estacionalidad o la variación del régimen de corrientes existente entre el día y la noche (en zonas montañosas los vientos son descendentes durante la noche y ascendentes durante el día generando fuertes variaciones de corriente). Los vuelos sobre vastas extensiones de agua o zonas boscosas también van a tener una importante influencia en la calidad de los vuelos. El escaso peso de los drones condiciona su estabilidad ante el paso de corrientes descendentes o ascendentes que se producen por el calor de radiación absorbido o emitido por los diferentes cuerpos situados sobre la superficie terrestre (Figura 3).

Figura 3. Las variaciones meteorológicas o geográficas condicionan la seguridad y estabilidad de los drones, y van a contribuir de forma decisiva en la calidad de los resultados obtenidos. a) Regímenes de viento entre el día y la noche en áreas de montaña. b) corrientes de ascendencia térmica en zonas boscosas, ciudades y valles tienen una incidencia importante en la calidad de los vuelos. c) Entornos de especial influencia como zonas montañosas, grandes extensiones vegetadas o lagos son puntos donde se requiere de un conocimiento técnico especial y la pericia del piloto.

Como hemos visto, aunque existe una fuerte influencia de factores externos al aparato en la calidad final de la información aérea obtenida, existen otros aspectos inherentes a la tecnología utilizada que van a condicionar la altura a la que se realizarán los vuelos: la precisión de los sensores utilizados. Así, las variaciones de precisión con la distancia al objeto limitarán la resolución para cada trabajo aéreo. Independientemente de ello, cuanto mayor sea la calidad de los sensores aerotransportados, mejores serán los resultados del trabajo final realizado.

Aplicaciones geológicas de los drones

El acceso a sensores cada vez más precisos y ligeros, capaces de ser integrados en plataformas aerotransportadas no tripuladas, gracias a los avances en la tecnología geomática y la robótica, ha abierto nuevos campos de interés para las Ciencias de la Tierra, más allá de la obtención de modelos digitales del terreno, mapas topográficos y ortoimágenes. Entre los principales sensores existentes en la actualidad y con usos en la cartografía de áreas con interés en el campo de la geología destacan (Figura 5):

  • Cámaras fotográficas y de vídeo para la elaboración de trabajos fotogramétricos.
  • Cámaras multiespectrales e hiperespectrales para análisis de teledetección rápida.
  • Cámaras térmicas o infrarrojas.
  • Sensores Láser: LiDAR aerotransportado.
  • Sensores químicos para la captura de información atmosféricas relacionada con contaminantes radioactivos, gases, etc.
  • Sensores radar para la cartografía.
  • Sensores aeromagnéticos para el desarrollo de campañas geofísicas.
  • Sensores de gradiómetros magnéticos aerotransportados.
  • Sensores gamma ray natural.
  • Sensores gravimétricos (en implementación).
  • Sensores radio-magnetotelúricos para estudios hidrogeológicos.
Figura 5. Tres de los sensores más utilizados para la captura de información digital: a) Sensor LiDAR aerotransportado en plataforma de drone y nube de puntos clasificada por alturas para su uso en obra civil (Cortesía de http://www.reflyingmachines.com/); b) ortoimagen y modelo digital del terreno obtenido mediante fotogrametría de imágenes adquiridas con cámara RGB aerotransportada en dron (Fernández-Lozano et al., 2015); y c) cámara térmica y multiespectral e imagen tomada de un campo de paneles solares donde se pueden observar las deficiencias de aislamiento de algunos módulos (Cortesía de Pi-Drone y ScanPro).

El uso de estos sensores integrado en drones posibilita un amplio rango de trabajos aéreos en diversos campos de la geología que se discuten a continuación.

Patrimonio geológico y minero

Uno de los principales problemas a los que se enfrentan las Ciencias de la Tierra y en particular la geología es el distanciamiento del público general que viene sufriendo debido a la escasez de planes bien estructurados para la difusión y divulgación de trabajos y actividades relacionadas con el ámbito científico. Aunque en la actualidad se han empezado a desarrollar iniciativas que fomentan la divulgación geológica para contrarrestar este efecto, como el Geolodía a través de la Sociedad Geológica de España (Alonso-Zarza et al. 2016), con la llegada de la era digital y 3D, los drones están proporcionando un nuevo campo a los geólogos para la generación de reproducciones tridimensionales y modelos fotorealísticos con una elevada calidad. Las nuevas técnicas fotogramétricas y la entrada en el mercado de software para el tratamiento de la información digital han simplificado el trabajo de procesado de las imágenes y reducido el tiempo y complejidad de las tareas de restitución llevadas a cabo con estaciones fotogramétricas tradicionales. Estudios recientes realizados por Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso (2016d) muestran réplicas de elementos geológicos, como el pliegue recumbente situado en la Ensenada de Llumeres (Asturias), en peligro de desaparición por la acción del oleaje durante las tormentas. Estos modelos pueden ser reproducidos desde plataformas externas en internet y accesibles desde tabletas y smart-phones desde cualquier lugar del mundo de forma rápida y fácil.

La posibilidad para visualizar las estructuras en las tres direcciones del espacio y la modificación de parámetros de la imagen para producir contrastes y sombras, potencia la capacidad de estos modelos para fomentar el aprendizaje y la difusión de elementos y fenómenos geológicos para públicos de todas las edades. Esto supone un recurso de gran interés para la difusión del patrimonio y su conservación, especialmente útil para su puesta en valor en Geoparques, museos, rutas geoturísticas, puntos de interés geológico (PIGs), Geositios o exposiciones.

Paleontología

La captura de datos digitales para la elaboración de modelos digitales de alta resolución con LiDAR o fotogrametría y la adquisición de ortoimágenes permite el análisis cualitativo y cuantitativo de restos de fósiles y de su actividad (Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso, 2016c). El cálculo de formas, tamaños y volúmenes aporta información valiosa sobre los organismos y los procesos geológicos envueltos en su conservación. El análisis de parámetros biomecánicos en huellas de dinosaurio o las reconstrucciones museísticas pueden realizarse de forma rápida y precisa, facilitando la preservación de los restos y evitando la actuación directa sobre muestras afectadas por la alteración o la erosión con el uso de resinas y moldes que podrían dañarlos (Figura 6).

Figura 6. a) Modelo 3D de cantera con restos de troncos fósiles y ampliación de la zona de interés (b). Los bancos con un buzamiento sub-vertical y varios metros de altura dificultan la toma de información digital. El uso de drones simplifica el acceso al afloramiento y permite de adquisición de modelos de alta resolución de los restos fósiles sobre los que se puede realizar un análisis cualitativo y cuantitativo. Modificado de Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso (2016c).

Tectónica y geología estructural

Elaboración de cartografías topográficas (< 1m de equidistancia entre curvas) para el posterior mapeado geológico y de estructuras. Análisis automático de parámetros de fracturación (tamaño, espaciado de la red de fracturas, densidad de patrones), generación de modelos estadísticos de fallas a partir del tratamiento automatizado de los modelos digitales obtenidos en afloramientos de difícil acceso, como paredes verticales o con fuerte topografía (Healey et al., 2016). La generación de modelos fotorealísticos permite la digitalización de estructuras de forma tridimensional con un visionado del objeto desde cualquier dirección del espacio, facilitando de forma significativa la cartografía de estructuras (Figura 7). También es posible realizar estimaciones de espesores de capas con medidas directas o el cálculo de buzamientos y otras medidas como los saltos de falla, directamente sobre el afloramiento (Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso, 2016d). El uso de LiDAR aerotransportado en aeronaves no tripuladas en áreas muy vegetadas o selváticas, permite la elaboración de cartografías mediante el filtrado de la vegetación con software especializado. También se pueden realizar cartografías batimétricas gracias al uso de LiDAR con haz de luz verde para la identificación de fallas con potencial riesgo geológico.

Figura 7. a) Modelo 3D del pliegue de la Ensenada de Llumeres (Asturias). b) modelo 3D sobre el que se han realizado los cálculos de buzamiento, espesores de capa, así como la digitalización de estructuras tectónicas. Los modelos permiten el cálculo de superficies y volúmenes de forma rápida y eficaz. Modificado de Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso (2016d).

Riesgos geológicos, medioambiente y ordenación del territorio

La comparación de modelos digitales de alta resolución obtenidos por fotogrametría o LiDAR aerotransportado, realizados en una ventana temporal suficiente, permiten la monitorización de deslizamientos (Niethammer et al., 2012). La obtención de modelos digitales de alta resolución también puede ayudar en la elaboración de modelos predictivos de crecidas y deslizamientos, proporcionando parámetros y predicciones de caudales y altura máxima alcanzada. Esta información puede ser incorporada a modelos numéricos que podrían ayudar a establecer sistemas de alerta eficaces para el análisis de los riesgos volcánicos o sísmicos, facilitando así la ordenación del territorio. El análisis de avance de canchales o aludes en alta montaña también puede monitorizarse con el uso de drones, facilitando el acceso y la seguridad del equipo científico. En zonas que han sufrido algún tipo de desastre natural permiten la estimación de daños y la evaluación y cálculo de superficies y volúmenes de forma rápida y eficiente.

En el área medioambiental, la incorporación de cámaras térmicas y multiespectrales permite la identificación de diferentes substratos rocosos y contaminantes (sales, metales pesados, etc.), especialmente útil para el control y desarrollo de labores mineras (Goossens et al., 2012). Además, pueden utilizarse sensores químicos y atómicos para la detección atmosférica de gases y partículas radioactivas (Connor et al., 2016), útiles en zonas urbanas con especial polución atmosférica o áreas afectadas por contaminación nuclear (la nueva normativa prevé el uso de drones en zonas urbanas y se espera que entre en vigor a lo largo de 2016).

Geomorfología e hidrogeología

La monitorización de los procesos litorales y su interacción con las construcciones humanas constituye una de las principales preocupaciones en la actualidad para gobiernos y administraciones públicas (Manzini et al., 2013). El uso de ortoimágenes puede, asimismo, facilitar la cartografía geomorfológica de detalle y la realización de comparativas a lo largo de diferentes periodos, pues la rapidez para su adquisición y el bajo coste permiten realizar vuelos repetidos de forma eficaz. El análisis de suelos y los estudios elaborados para analizar el avance del cambio climático y la desertización puede realizarse mediante el uso de cámaras térmicas, multi- e hiperespectrales, proporcionando un análisis detallado de las necesidades hídricas de cada zona.

Prospección geofísica y minería

El uso de técnicas geofísicas aerotransportadas como las magnéticas han adquirido en los últimos años un amplio desarrollo en el área de la minería. En la actualidad compañías de reconocimiento aéreo han desarrollado sistemas con hasta 10 h de autonomía y velocidades que superan los 70 km/h, lo que facilita la rápida captura de datos sobre grandes superficies del terreno y el aumento de la resolución de los datos, al ser capaces de volar a alturas más bajas que las aeronaves convencionales (Anderson y Pita, 2005). Las cámaras multiespectrales e hiperespectrales también pueden proporcionar información durante las labores de prospección minera en áreas remotas con una resolución sorprendente. En la actualidad, el uso de drones para estimaciones superficiales y cálculos de cubicaciones a partir de los modelos digitales obtenidos está simplificando las labores, reduciendo tiempos de trabajo y minimizando los costes.

Geoarqueología

En el área de la prospección geoarqueológica, trabajos recientes llevados a cabo por Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso (2016a) establecen una metodología basada en LiDAR aerotransportado y drones para la identificación de restos de la minería aurífera romana en el noroeste peninsular (Figura 8). El tratamiento estadístico de la información contenida en los modelos digitales obtenidos ha permitido identificar la presencia de restos mineros en zonas de difícil acceso. Además, el filtrado de las nubes de puntos adquiridas durante el procesamiento de imágenes para la eliminación de vegetación y el uso integrado del análisis de Fourier ha permitido obtener modelos digitales con una altísima resolución, útiles para la identificación y descripción de elementos arqueológicos. El uso de sensores multiespectrales e hiperespectrales puede ayudar a identificar antiguas monteras de minas, la presencia de galerías abiertas, facilitando las labores de prospección arqueominera (Fernández-Lozano et al., 2015). La obtención de modelos fotorealísticos ha servido también para la preservación y musealización del entorno minero facilitando la difusión y visualización de los restos preservados en el paisaje. Algunos ejemplos pueden verse desde los siguientes enlaces:

Figura 8. Modelos digitales obtenidos con LiDAR y drones de la explotación aurífera romana de “El Vallico la Escoba”, situada en el Distrito Aurífero del Valle del Eria (León). Modificado de Fernández-Lozano y Gutiérrez-Alonso (2016a). a) Tratamiento del modelo digital de superficie LiDAR con paso de malla a 5m; b) 1 m y c) 1 m generado a partir de imágenes tomadas con dron. Se pueden observar los distintos realces y mejoras de la imagen mediante el tratamiento estadístico de los datos contenidos en el modelo digital.

Conclusiones

Los drones constituyen una herramienta de gran interés para el desarrollo de trabajos geológicos. Una mayor autonomía de vuelo y unos costes cada vez más reducidos, permiten la elaboración de cartografías detalladas y estudios en diversos campos de las Ciencias de la Tierra. El desarrollo de sensores aerotransportados con pesos y tamaños cada vez más reducidos facilitarán el acceso a zonas remotas de forma rápida y segura, donde otras aeronaves no llegan. El avance de las nuevas tecnologías para el procesado de la información digital adquirida ha experimentado un importante auge en los últimos años, reduciendo el tiempo y las labores de tratamiento de los datos. Todo ello, en conjunto, está favoreciendo la implantación de las aeronaves no tripuladas en numerosos ámbitos del desarrollo científico y técnico de nuestro país. La geología es uno de los campos con mayor proyección de futuro con respecto a estas tecnologías, que como hemos visto, pueden aportar numerosos beneficios para la investigación y difusión del contenido en todos sus ámbitos de actuación.

Referencias

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Tierra y Tecnología nº 49 | Autor: Javier Fernández Lozano |  http://dx.doi.org/10.21028/jfl.2017.02.02

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Doctor en Ciencias Geológicas por la Universidad de Utrecht (2012) y Máster en Profesorado de Educación Secundaria por la Universidad Internacional de La Rioja (2013). Es experto en cartografía, teledetección y láser 3D, así como técnico en cartografía y fotogrametría por la Universidad Politécnica de Madrid (2012). Obtuvo el título de piloto de drones por el European Aviation College de Salamanca (2014) y es operador certificado de aeronaves no tripuladas por la Agencia Estatal de Seguridad Aérea (2015). En la actualidad trabaja como investigador en la Universidad de Salamanca, dedicado a los Sistemas de Información Geográfica y el estudio de los procesos geológicos responsables de la formación de montañas en la península ibérica mediante técnicas basadas en laser 3D, análisis espectral y gravimetría. Su actividad investigadora ha sido reconocida con numerosas becas y premios de prestigio internacional, siendo sus trabajos publicados en revistas de alto impacto, con más de 70 publicaciones y 4 libros editados. Durante los últimos años viene realizando una intensa labor de divulgación en temas relacionados con la geología, la minería aurífera romana del noroeste y las aplicaciones SIG, actividades que compagina con la finalización de un Máster en Comunicación Científica por la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona (2017) y otro doctorado por la Universidad de Salamanca (2018).