Levantamiento y supervisión de infraestructura civil mediante Vehículos Aéreos No Tripulados o drones

Cortina de la presa la boquilla, DR05

1. Introducción

El auge que tienen los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs) se debe principalmente a la miniaturización de sus componentes, además, no se arriesgan vidas humanas ante el mal funcionamiento del vehículo (Ojeda, Flores, & Unland, 2014) y es útil para aquellas zonas de difícil acceso geográfico como volcanes, incendios, zonas de desastre como deslaves o inundaciones (Barrientos et al., 2007). Esta tecnología está evolucionando de manera exponencial aportando nuevas aplicaciones en la cartografía, minería, monitoreo de cultivos, bosques y otros ecosistemas, inspección de obra civil, investigaciones medioambientales y en la vigilancia (Martínez et al., 2015). 
Los VANTs pueden adquirir datos de manera rápida y muy precisa que pueden ser procesados comúnmente con la técnica fotogramétrica en nubes de puntos, modelos digitales de superficie (Flener et al., 2013) y ortomosaicos (Hernández, 2006). 
La característica más importante de los VANTs en la topografía, se evidencia en el proceso de captura y almacenamiento de datos de campo, aumentando la posibilidad de obtener un producto final con mayor rapidez y de mayor calidad; sin embargo, cada vez se requieren equipos computacionales más sofisticados para el procesamiento de la información en gabinete. 
En la supervisión de obras civiles, los VANTs ofrecen diversas ventajas, las principales son: i) Se obtienen fotografías y videos en alta resolución de la obra en pocas misiones de vuelo, a un bajo costo. Los VANTs vuelan cerca de la superficie de interés para localizar grietas, problemas de erosión corrosión y defectos de construcción, que de otro modo requerirían plataformas, andamios, escaleras o arneses de seguridad. Anteriormente esta tarea demandaba el uso de vehículos tripulados o brigadas de supervisión, con un gran consumo de tiempo y recursos. ii) No se expone la vida del operador. El recorrido se programa de forma remota y se asiste por medio de un sistema de seguimiento computarizado. iii) En el VANT se pueden colocar cámaras térmicas y termográficas, útiles en la detección de corrosión, fugas y motores con problemas de calentamiento (Ojeda-Bustamante et al., 2017).

 2.    Aplicaciones civiles con VANTs

Si bien fue en el sector militar donde surgieron los VANTs y el que ha impulsado su desarrollo, desde hace ya algunos años han surgido diferentes aplicaciones civiles, que han ampliado el interés, la investigación y el desarrollo de estos sistemas (Barrientos et al., 2007). Esto ha provocado el desarrollo exponencial de los VANTs junto con los sensores remotos. 
Actualmente, esta tecnología aporta aplicaciones no solo para la adquisición de imágenes sino también para diversos análisis de datos espacio-temporal, desde levantamientos cartográficos hasta reconocimiento de patrones terrestres o medición remota de propiedades o variables de interés de la superficie, (Ojeda, Flores, & Unland, 2014). 
Antes de utilizar los VANTs en una aplicación específica se deben contestar dos preguntas: ¿Cuál es el tipo de VANTs [multirotor (M) o ala fija (AF)] que presenta más ventajas para mi aplicación? Y ¿Qué cámara debo usar?. (Mas informacion en la entrada "Dos preguntas antes de usar un Dron para una aplicación Civil")
A continuación, se presentan cuatro aplicaciones usando VANT para el levantamiento y supervisión de infraestructura civil.

2.1. Levantamientos topográficos

Los levantamiento topográficos con métodos tradicionales (estaciones totales, GPS o niveles) exigen una inversión de días o semanas y brindan resoluciones gruesas; los basados en imágenes satelitales además de que su precisión es superior al metro pueden presentar dificultad por baja calidad espacial de los datos, cobertura de nubes o efectos atmosféricos agregado a ello la resolución temporal; los basados en VANTs vienen a solucionar algunos de los problemas anteriores, ya que se pueden adquirir datos con una alta resolución espacial (<5 cm, es posible detectar pequeños detalles de la superficie) y en tiempos más cortos que con las tecnologías convencionales.
La mayor ventaja de los VANTs en esta área, se evidencia en el proceso de captura, almacenamiento y trasmisión de datos de campo, lo que permite tener estudios topográficos en tiempos más cortos y de mayor calidad; además, es posible obtener la topografía a partir de videos (videogrametría) captados desde estas plataformas, estos videos se descomponen en fotogramas a un cierto intervalo de tiempo (e. g., Mejía, 2016). La desventaja principal se observa en la etapa del procesamiento de la información, ya que se requieren equipos computaciones sofisticados y software especializados, los cuales en su mayoría son costosos. 
Las dudas que se generan al emplear los VANTs en la topografía son: las precisiones alcanzadas y los tipos de superficies que se pueden levantar (mas información en "¿Drones en topografía?. Dos cuestiones")

2.2. Inspección de infraestructura y extracción de características geométricas.

Es un reto incorporar el uso de VANTs como herramienta para el seguimiento y supervisión de la construcción de obras de infraestructura hidráulica, con la finalidad de documentar los siguientes aspectos: i) Estado físico de la infraestructura, ii) Avances en la construcción de una infraestructura, ii) Identificar posibles fallas en una obra hidráulica principal o en alguna de sus obras auxiliares (Ojeda et al, 2016).

Las mediciones de características geométricas en estructuras, que se realizan con apoyo de los VANTs son de alta precisión en los tres ejes. Estas mediciones se pueden hacer a través de los modelos digitales de elevación (MDE) y ortomosaicos, con los cuales se pueden obtener áreas, distancias y perfiles longitudinales y trasversales (Figura 1). En zonas profundas del vaso de una presa las elevaciones del nivel del agua obtenidas con fotogrametría no son confiables, debido principalmente al brillo del sol que se refleja en el agua y al movimiento propio de este, lo cual afecta negativamente el procesamiento fotogramétrico de las imágenes.

Figura 1. Perfil de la cortina de la presa La Boquilla (Jiménez-Jiménez, 2017).

2.3. Cartografía de construcciones

La cartografía, como muchas otras disciplinas; ha venido experimentando un desarrollo desde la llegada de la computadora, y los modernos equipos para realizar levantamientos topográficos junto a otras técnicas y herramientas de procesamiento de la información. Este desarrollo tecnológico ha impulsado su transformación y lo ha convertido en una fuente de información para el ordenamiento territorial, extracción de estadísticas poblacionales, detección de problemas, y otros datos (Lerma, 2013) que sirven en la toma de decisiones.
Actualmente, se plantea que la información catastral se levante mediante GPS (Global Positioning System) y vehículos aéreos no tripulados (VANTs) y se integre en sistemas de información geográfica.
Diversos autores han realizado la cartografía catastral en base a información captada desde VANTs, unos digitalizan manualmente las construcciones sobre el ortomosaicos (e.g., Vásquez, 2017; Baquero & Botero, 2017), ya que al ser productos de alta resolución espacial se pueden apreciar las construcciones con detalle. La digitalización manual es útil cuando se trabaja con superficies pequeñas, sin embargo, en superficies extensas esto se vuelve tedioso, por lo que algunos autores han optado por utilizar técnicas de segmentación de imágenes. Khoshelham & Zhilin (2004) a partir de imágenes RGB extrajeron de manera automática construcciones usando el algoritmo de extracción de bordes de Canny (Canny, 1986); Ok (2009) clasifico automáticamente edificios en una zona residencial de Turquía (Figura 5) aplicando el algoritmo de segmentación mean-shift para suavizar la imagen y el método de Canny para detectar los bordes; Gevaert, Persello, Sliuzas, & Vosselman (2016) utilizaron el algoritmo de segmentación Mean Shift y antes de clasificar las construcciones utilizaron un índice de vegetación para poder separar ambas clases.
Figura 2. Clasificación de edificación en una zona residencial de Turquía (Ok, 2009).
La cartografía de construcciones con VANT es un tema ampliamente estudiado, sin embargo, es necesario la generación de metodologías y algoritmos óptimos para extraer automática esta característica en diferentes condiciones.

2.4. Detección de grietas sobre estructuras de concreto

La detección de grietas sobre estructuras es importante ya que estas pueden constituir un riesgo a mediano o largo plazo, primero de la estructura, pero lo más importante de las personas que la operan y en casos extremos, provocando daños colaterales en la población o infraestructura localizada aguas abajo de esta (Ojeda et al, 2016).
Las grietas se presentan como líneas alargadas por lo que su detección precisa con imágenes satelitales o aéreas es casi imposible, ya que las resoluciones espaciales que brindan estas tecnologías suelen ser mayores a 30 cm/pixel, por lo que las imágenes captadas desde VANTs vienen a ser una solución viable a esta problemática.
En diversas investigaciones se han empleado distintas metodología para la detección de grietas usando imágenes de VANTs, estas metodologías se basan en algoritmos de segmentación de imágenes basados principalmente en detección de bordes. Pereira & Pereira (2015) equiparon un VANT para la detección de grietas sobre estructuras de concreto en tiempo real, usaron un algoritmo de detección de bordes basada en el operador Sobel o el filtro Sobel y operaciones morfológicas (Figura 3); Rimkus, Podviezko, & Gribniak (2015) mediante análisis de imágenes y la técnica de correlación digital de imágenes (DIC, Digital Image Correlation) obtuvieron las coordenadas de los pixeles de las grietas existentes sobre una superficie de concreto; Jiménez-Jiménez 2017 determino grietas con tres diferentes métodos de segmentación de imagenes basadas en detección de discontinuidades (Puntos, Lineas y bordes).
Figura 3. Detección de grietas sobre concreto (Pereira & Pereira, 2015)

3. Conclusiones

Las herramientas tecnológicas como los vehículos aéreos no tripulados (VANTs) y las cámaras digitales han generado cambios sustanciales en las metodologías de trabajo de diversas áreas de la ciencia; si bien los VANTs fueron desarrollados inicialmente con fines militares, en los últimos años han surgido diferentes aplicaciones civiles, que han ampliado el interés, la investigación y el desarrollo de estos sistemas, a la vez que han originado nuevas demandas y una reglamentación de uso más estricta.

 4. Referencias Bibliográficas

Alcántara, D. (2014). Topografía y sus aplicaciones (Primera ed.). México, México: Compañía          editorial continental.
Baquero, D. G., & Botero, J. C. (2017). Metodología de captura para el barrido predial masivo empleando UAV, prueba piloto para catastro multipropósito.
Barrientos, A., del Cerro, J., Gutiérrez, P., San Martín, R., Martínez, A., & Rossi, C. (2007). Vehículos aéreos no tripulados para uso civil. Tecnología y aplicaciones. Universidad politécnica de Madrid, 1-29.
Buill, F., Núñez, M., & Rodríguez, J. (2003). Fotogrametría analítica (Primera ed., Vol. 79). (E. UPC, Ed.) Universidad Politécnica de Catalunya.
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Flener, C., Vaaja, M., Jaakkola, A., Krooks, A., Kaartinen, H., Kukko, A., . . . Alho, P. (2013). Seamless Mapping of River Channels at High Resolution Using Mobile LiDAR and UAV-Photography. Remote Sensing, 5(1), 6382-6407. doi:10.3390/rs5126382
Gevaert, C. M., Persello, C., Sliuzas, R., & Vosselman, G. (2016). Classification of Informal Settlements Through the Integration of 2D and 3D Features Extracted From Uav Data. ISPRS Annals of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, III-3(July), 317–324. https://doi.org/10.5194/isprsannals-III-3-317-2016
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