Waldo Ojeda Bustamante. Subcoordinador de Ingeniería de Riego del IMTA.
Coautores: Alberto González Sánchez, Ronald Ernesto Ontiveros Capurata y Jorge Flores Velázquez.
El objetivo de este trabajo es presentar las potenciales aplicaciones de los vehículos aéreos no tripulados en actividades de supervisión y monitoreo de interés para el sector agua del país y reflexionar sobre los retos que trae consigo la adopción de esta tecnología, considerando la experiencia adquirida por los autores en el desarrollo y validación de esta metodología en el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua durante los últimos tres años.
La ingeniería hidráulica siempre enfrenta incertidumbre en el diseño, planeación, construcción, supervisión y mantenimiento de la infraestructura hidráulica. El monitoreo de variables y parámetros en este campo consume gran cantidad de recursos económicos, instrumentales, humanos y de tiempo, por la frecuencia y precisión de los datos que se requieren. Esta situación, aunada a la dificultad de acceso a las zonas de interés, provoca que con frecuencia el monitoreo de estas variables sea deficiente, disperso y poco confiable, lo que implica un tratamiento adicional de control de calidad y una validación espacio-temporal.
A partir de la década de 1970, con el lanzamiento de varios satélites, se facilitó el monitoreo remoto de la superficie terrestre a partir de la adquisición de imágenes. Esto ha permitido un mejor análisis, procesamiento y despliegue de información de variables o características geoespaciales de interés rural y urbano. Los satélites usados hasta antes de 2010 tenían la limitante de suministrar información temporal discontinua y de baja resolución espacial. Con el surgimiento de nuevas y mejores tecnologías en el campo de los sensores remotos y vehículos aéreos fue posible adquirir información más detallada, con mayor frecuencia y de alta resolución. En esta vertiente, una de las tecnologías con alto potencial para la adquisición, procesamiento y análisis de imágenes son los vehículos aéreos no tripulados (VANT), ya que tienen la ventaja de ser menos costosos y más flexibles o programables respecto a los satélites.
Estos cambios y el surgimiento de nuevas y mejores tecnologías geoespaciales han abierto un abanico de aplicaciones potenciales de los VANT para adquirir y teledetectar información de mayor calidad y precisión que la obtenida con los satélites convencionales. Los VANT, llamados coloquialmente drones, han revolucionado la forma de trabajar en numerosos campos de la ingeniería al combinar sistemas de navegación y control, sensores de alta resolución, software y hardware especializados.
Componentes de un VANT o dron
En términos generales, un VANT o dron es una aeronave reutilizable no tripulada que cuenta con una estructura en donde es posible colocar dispositivos operados de manera remota (a distancia) o autónomos (preprogramados) para cumplir una misión de vuelo específica; sirve como herramienta de apoyo con fines de reconocimiento de patrones terrestres o medición remota de propiedades o variables de interés de la superficie terrestre.
Los drones pueden tener múltiples formas y configuraciones, pero existen dos grandes vertientes: tipo avión (también llamado de ala fija) y tipo multirrotor (o de ala rotatoria), con dos o más hélices. La selección del VANT a utilizar es importante; cada tipo tiene diferente alcance y potencial. Los drones de ala fija pueden cubrir grandes extensiones de superficie, recorrer amplias distancias y a velocidades más altas que los multirrotores, debido principalmente a su bajo consumo de energía y la ligereza de su estructura, lo que les permite estar en el aire mucho tiempo (de 50 a 90 minutos en promedio). Los drones multirrotor, por otro lado, pueden hacer movimientos verticales u horizontales de forma controlada y precisa, permanecer en un punto estático en el aire y soportar más peso que los de ala fija. Sin embargo, los drones multirrotor consumen más energía, por lo que la duración de sus vuelos es más corta (actualmente de hasta 25 minutos).
Figura 1. Dron realizando una misión de vuelo sobre la presa Miguel Hidalgo, que abastece al Distrito de Riego 075, Río Fuerte, Sinaloa.
Entre las ventajas de los actuales drones está su autonomía para realizar trayectorias previamente definidas a través de misiones y tomar imágenes o efectuar otras actividades de monitoreo en sitios de interés (en la figura 2 se muestra una misión en elaboración que debe recorrer el VANT para obtener imágenes de la zona de estudio). El control y transmisión de datos e imágenes a distancia (telemetría) es logrado con un enlace de radio, el cual puede ser ampliado por medio de antenas de mayor alcance. Algunos VANT también admiten otros medios de comunicación, como bluetooth o WiFi. La mayoría tienen flexibilidad para cargar distintos tipos de cámaras, y algunos soportan otros dispositivos periféricos, como pértigas para colocación de sensores y paracaídas para seguridad del vehículo.
Figura 2. Pantalla del software para elaboración de misiones y definición del recorrido del VANT antes de ejecutar el vuelo sobre las instalaciones del IMTA.
Un VANT está constituido por dos componentes: 1) el vehículo aéreo, al que corresponden el cuerpo de la aeronave, el controlador de vuelo, el sistema de control telemétrico, los componentes electromecánicos y los sensores o dispositivos de monitoreo; 2) la estación de control, que permite el control remoto, monitoreo y ejecución de la misión del vehículo. Adicionalmente, los drones de ala fija pueden necesitar dispositivos especiales para despegue, como lanzadores, o redes para aterrizaje.
Las principales ventajas de los VANT son (Ojeda Bustamante et al., 2017):
- No se arriesga la tripulación ante el mal funcionamiento del vehículo.
- Utilidad en zonas de difícil acceso geográfico, de orden público, volcanes, incendios, con concentración de radioactividad, entre otras.
- Posibilidad de obtener fotografías y videos aéreos de alta resolución, en tiempo real si se cuenta con el equipo y accesorios.
- No se presentan problemas por condiciones atmosféricas (nubosidad), como sí sucede con las imágenes de satélite, ya que la altura de vuelo del VANT puede estar por debajo de las nubes.
- Bajo costo en la adquisición de imágenes aéreas.
- Adquisición de videos e imágenes aéreas en casi cualquier momento, lo que permite realizar estudios espacio-temporales de alta resolución.
Las principales desventajas de los VANT son:
- Dependencia de una estación de seguimiento en tierra.
- Vulnerabilidad a varios factores ambientales, aves, aviones, redes eléctricas, etcétera.
- Limitaciones de peso de carga.
- Dificultad de integración en el espacio aéreo.
- Requerimiento de equipos auxiliares o sensores que deben ser de bajo peso y volumen, los cuales generalmente son caros.
- Limitación en la duración y alcance de los vuelos por la limitada capacidad de carga de equipo y baterías.
- Requerimiento de personal con habilidades para su uso y manejo.
- Necesidad de software y almacenamiento para manejo de grandes cantidades de imágenes y videos.
Aplicaciones en el sector agua
Como es mencionado por Liu et al. (2014), grandes proyectos de construcción como puentes, carreteras y presas hidroeléctricas generalmente demandan la coordinación de cientos de trabajadores y maquinaria de construcción para su monitoreo y vigilancia. Con el uso de VANT, los gerentes de obras pueden monitorear un sitio completo sin restricciones de acceso; esto permite tener mayor información de los avances del proyecto. En ese sentido, existen numerosas aplicaciones de los VANT para el sector agua. Entre las más importantes están:
- Monitoreo del estado y funcionamiento de la infraestructura hidráulica.
- Supervisión de la construcción, avance y estado físico de obra civil (véase figura 3).
- Generación de modelos digitales de superficie para elaboración de planos topográficos.
- Generación de ortomosaicos (visible y multiespectral) de apoyo en actividades de planeación, supervisión y evaluación de proyectos de ingeniería civil (véase figura 4).
- Diagnóstico y supervisión de cambios en la calidad y estado de cuerpos de agua.
- Generación de mapas de uso del suelo y catastral de alta resolución.
- Generación de productos cartográficos, mapas topográficos.
- Delimitación y análisis del estado de la población y la infraestructura luego de desastres naturales o humanos.
Figura 3. Ortomosaico generado con imágenes adquiridas con un dron en el canal oriente del Distrito de Riego 075, Río Fuerte, Sinaloa.
Figura 4. Ortomosaico de las instalaciones del IMTA obtenido a partir de imágenes multiespectrales adquiridas con un VANT.
Los retos para su aplicación
El uso de drones tiene varios criterios que se deben considerar antes de su adquisición, operación y manejo y que dependen de las tareas a realizar. Entre ellos está su costo inicial, que incluye no sólo el vehículo sino también los sensores y equipo requeridos para obtener imágenes y videos de alta resolución espacial y espectral, la autonomía de vuelo y la capacidad de carga, las habilidades necesarias para su operación y para el procesamiento de grandes volúmenes de información. No obstante, actualmente se presenta una tendencia en el abatimiento de los costos; con mayor frecuencia se utilizan mejores equipos de menor costo en aplicaciones ingenieriles.
Al adquirir un VANT es recomendable considerar que permita el uso de software, sensores y accesorios de otros fabricantes para no generar dependencia de un solo fabricante.
El procesamiento de un gran volumen de información demanda computadoras con capacidad de procesamiento y almacenamiento superior que el de las computadoras de escritorio o de uso comercial. El manejo de drones también demanda el uso de software especializado, como simuladores de vuelo para entrenamiento previo para el pilotaje del dron y programas para la elaboración, ejecución y seguimiento de misiones, el procesamiento de las imágenes adquiridas y la obtención de productos como ortomosaicos o modelos tridimensionales del terreno. Dependiendo de la aplicación, se pueden requerir también sistemas informáticos para procesar una gran cantidad de datos/imágenes del área de interés, como programas de aprendizaje automático o minería de datos.
Uno de los retos más importantes de la aplicación de los VANT en el sector agua es la ausencia de mecanismos de transferencia de esta tecnología para su rápida adopción y difusión. Aunque un VANT demanda conocimiento técnico previo para su utilización, y a pesar de contar con varias aplicaciones potenciales, la validación de diversas metodologías para su adopción aún está en desarrollo; esto dificulta que la herramienta se popularice y propicia su utilización más para el ocio que como herramienta ingenieril, pero sin duda en pocos años será indispensable en las actividades ingenieriles y administrativas del sector agua.
Debido a la popularización de los VANT, en nuestro país la Dirección General de Aeronáutica Civil (DGAC) de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes emitió en 2015 las regulaciones obligatorias para todos los operadores de estas naves. Entre las más importantes se indica que, sin importar el peso, sólo pueden ser operadas durante el día en áreas no clasificadas como prohibidas, restringidas o peligrosas y al menos a 9.2 kilómetros de los aeropuertos controlados, a 3.7 kilómetros de los aeródromos no controlados y a 900 metros de los helipuertos; no deben dejar caer objetos que puedan causar daños a personas o bienes. Sólo los drones que pesen menos de 2 kilogramos pueden ser operados sin necesidad de autorización de la DGAC, pero si se usan para actividades comerciales deben contar con un seguro de daños a terceros, entre otras condicionantes.
Conclusiones
La aparición y desarrollo de los drones supuso una revolución tecnológica; hoy se perfilan como herramientas de apoyo en procesos de planeación, supervisión y estimación de parámetros y variables hidráulicas, y sin duda reducirán costos y tiempos de varias actividades que demanda el sector agua. Sin embargo, su uso en la ingeniería demanda recursos, equipos y una serie de habilidades intrínsecas tanto para pilotar la aeronave como para procesar grandes volúmenes de imágenes e información. En este sentido, existe una pronunciada curva de aprendizaje de por medio antes de dominar y aplicar estos vehículos en las actividades que demanda el sector agua.
A fin de asegurar el aprovechamiento del dron, es necesario hacer una selección adecuada del fabricante y el proveedor. El fabricante establece la compatibilidad con los dispositivos periféricos y software para ejecución de misiones de vuelo. El proveedor brinda soporte técnico y suministra refacciones y asistencia en caso de reparación o posible mejora del VANT, por lo que su velocidad de respuesta para proporcionar estos servicios es sumamente importante (crítica en algunos casos) en la ejecución de proyectos que involucran al dron como principal instrumento de adquisición de información.
El uso de VANT será indispensable para la toma de datos espaciales a detalle que requieran la discriminación y monitoreo de características de las obras hidráulicas con el fin de facilitar la utilización y manejo eficiente de recursos como agua, suelo y energía. Muchas de las aplicaciones de los drones en el sector agua están en desarrollo; existen los retos de adaptar las metodologías usadas y miniaturizar los sensores para facilitar su adopción en el campo de la hidráulica.
Referencias
Liu, P., et al. (2014). A review of rotorcraft unmanned aerial vehicle (UAV) developments and applications in civil engineering. Smart Structures and Systems (6)13: 1065-1094.
Ojeda Bustamante, W., et al. (2017). Aplicaciones de los vehículos aéreos no tripulados en la ingeniería hidroagrícola. Tecnología y Ciencias del Agua. Aceptado para publicación.
