En la era digital, nuestras capacidades para monitorear los procesos de la Tierra están aumentando dramáticamente, ofreciendo nuevas oportunidades para observar el comportamiento dinámico de la Tierra en campos que van desde la hidrología a la vulcanología y las ciencias atmosféricas.
La última revolución para obtener imágenes y tomar muestras de la superficie de la Tierra involucra sistemas de aeronaves no tripuladas, también conocidas como vehículos aéreos no tripulados, aeronaves pilotadas a distancia o, coloquialmente, drones.
Los drones vienen en una variedad de formas, tamaños y plataformas.
Estos incluyen varios diseños diferentes (rotores simples, multirrotores, híbridos y plataformas de ala fija) que se pueden usar para transportar muchos tipos diferentes de cargas útiles, incluidos sensores, cámaras y equipos de muestreo. Más importante aún, los drones ahora se aplican a una variedad de objetivos para evaluar procesos dinámicos en dos, tres y cuatro dimensiones, revolucionando nuestra capacidad para recopilar rápidamente observaciones de alta calidad en la superficie de la Tierra.
La comunidad de las geociencias en general se ha lanzado a los cielos, con un amplio espectro de investigadores que utilizan una variedad de plataformas de drones y sensores o muestreadores en varias aplicaciones únicas e innovadoras.
El desarrollo conjunto de la tecnología de drones junto con la nueva tecnología de sensores está allanando el camino para que los drones se utilicen como algo más que simples lectores de imágenes de la superficie terrestre. Esto abre un mundo de posibilidades para la investigación de las ciencias de la Tierra.
Seis formas en que los drones transforman la investigación en geociencias y el monitoreo ambiental
Una revisión de la literatura sobre geociencias muestra que los drones ahora se aplican activamente hacia varios objetivos y en muchos campos (Figura 1). La última generación de drones es especialmente versátil porque estos drones pueden transportar cargas útiles de sensores y equipos de muestreo capaces de recopilar una variedad impresionante de imágenes, muestras físicas y mediciones sinópticas.
Fig. 1. El número de resúmenes de la American Geophysical Union (AGU) que contienen el término “UAS”, “UAV” o “drone” (a) a través del tiempo y (b) visualizados como un diagrama de árbol, con el tamaño de cada cuadrado que representa el número de resúmenes por año desde 2000 hasta 2016 y color que indica diferentes secciones de AGU. Actualmente se están generando datos para 2017. Haga clic en la imagen para ver una versión más grande.
Aquí hay seis formas en que los drones abren nuevos caminos de observación:
1. Los drones caracterizan la topografía. En los últimos años, los drones han ayudado cada vez más con la técnica de fotogrametría conocida como estructura a partir del movimiento (SfM), donde las imágenes 2-D se transforman en superficies topográficas 3-D (Figura 2).
Esta técnica proporciona imágenes topográficas de alta resolución, que se pueden utilizar para aumentar los datos topográficos existentes, así como para identificar características microtopográficas como pequeños canales de agua en la superficie de un glaciar.
En un estudio de Rippin et al. [2015], las técnicas de SfM utilizaron imágenes de drones para producir modelos digitales de elevación de alta resolución sobre los tramos inferiores de un glaciar en Svalbard. Luego, el equipo utilizó los modelos para identificar canales menores que estaban alterando la rugosidad de la superficie del hielo. Debido a que la rugosidad altera el intercambio de energía, los hallazgos de este estudio tienen implicaciones para comprender el balance energético de los glaciares.
SfM es relativamente económico en comparación con los métodos de levantamiento tradicionales como lidar, y se puede usar con software estándar disponible para el posprocesamiento y desarrollo de imágenes para producir modelos digitales de elevación (DEM) de alta resolución.
Fig. 2. Un modelo 3-D producido usando fotogrametría SfM obtenido en el Parque Estatal Chimney Bluffs en Nueva York. Note el paisaje de tierras baldías producido por la severa erosión de la costa de los drumlins del Pleistoceno. El recuadro muestra una vista aérea de este tipo de topografía en la costa sur del lago Ontario en el Parque Estatal Chimney Bluffs. Crédito: Imagen principal: P. Cattaneo, J. Corbett; Recuadro: C. Scholz
Los drones son particularmente útiles para adquirir imágenes o mediciones en lugares que son peligrosos o de difícil acceso a pie.
2. Los drones evalúan áreas peligrosas o inaccesibles. Los drones son particularmente útiles para adquirir imágenes o mediciones en lugares que son peligrosos o de difícil acceso a pie. En un ejemplo temprano, McGonigle et al. [2008] adquirió mediciones de gases volcánicos utilizando un quadcopter equipado con espectrómetros y sensores electroquímicos dentro del cráter de La Fossa (Vulcano, Italia). El estudio estableció el punto de referencia para el uso de cuadricópteros en vulcanología y su capacidad para medir el flujo de dióxido de carbono y mejorar el pronóstico de erupciones.
En otro ejemplo, Brownlow et al. [2016] desplegó octocópteros para monitorear la dinámica del metano (CH4) tanto por encima como por debajo de la inversión de los vientos alisios en la Isla Ascensión en el Océano Atlántico Sur, una ubicación ideal para caracterizar las concentraciones de metano de fondo tropical. Los octocópteros operaban a grandes alturas, tomando muestras de metano a altitudes de hasta 2.700 metros sobre el nivel medio del mar. Luego, los investigadores utilizaron la química del aire observada para delinear las firmas químicas que indican las fuentes de masas de aire a varias altitudes. El estudio demostró en última instancia que el monitoreo atmosférico a través de drones puede revelar complejidades espaciales (por ejemplo, la columna de aire) que a menudo se pasan por alto al tomar muestras en la superficie.
En otra aplicación innovadora, Ore et al. [2015] diseñó y desplegó un quadcopter capaz de recolectar muestras de agua de ríos y lagos. Estos investigadores aplicaron con éxito su sistema, que puede recolectar tres muestras de agua de 200 mililitros en condiciones de viento moderado, durante más de 90 misiones diferentes en lagos y vías fluviales. Tales esfuerzos presentan un camino emocionante para monitorear peligros ambientales o desastres como derrames de petróleo, rastrear enfermedades transmitidas por el agua y tomar muestras de lugares remotos.
Fig. 3. Imagen rojo-verde-azul de las interacciones agua subterránea-agua superficial producidas por sedimentos glaciares sobrepresionados en un área de difícil acceso a pie.
Esta presión hace que los sedimentos entren en Onondaga Creek en Tully Valley en Nueva York. Crédito: I. Joyce
3. Eventos transitorios de imágenes de drones. Los drones son ideales para mapear floraciones de nutrientes, columnas de sedimentos (Figura 3) e inundaciones, ejemplos de respuestas de ecosistemas y paisajes que pueden ocurrir solo por períodos cortos de tiempo. Spence y Mengistu [2016] demostraron el uso de drones para identificar una red de arroyos intermitentes en el Área Nacional de Vida Silvestre de St. Denis en Saskatchewan, Canadá.
Los autores también encontraron que la delineación con drones de corrientes estrechas intermitentes superó constantemente la delineación con imágenes satelitales multiespectrales SPOT-5 (resolución de 10 metros). De hecho, entrenar la delineación de SPOT-5 en imágenes de drones no mejoró la precisión de la clasificación, lo que sugiere que las imágenes de drones de alta resolución pueden ser una de las pocas herramientas capaces de capturar imágenes continuas de la dinámica fluvial a escalas relativamente finas.
4. Los drones contextualizan las imágenes satelitales y terrestres. Con la proliferación de productos de datos satelitales, las comparaciones entre los datos recopilados por drones y las imágenes satelitales ofrecen una vía para conciliar los datos recopilados en múltiples escalas espaciales. Este enfoque anidado fue utilizado por Di Mauro et al. [2015] para examinar cómo impurezas como el polvo mineral pueden alterar las propiedades radiantes de la nieve en los Alpes europeos.
Utilizaron una combinación de muestreo de nieve, imágenes rojo-verde-azul con drones cuadricópteros e imágenes Landsat 8, produciendo mapas locales y regionales que demostraron los efectos de las impurezas de la nieve en el albedo de la nieve. Estas impurezas afectan directamente los intercambios de energía de la superficie de la nieve en muchas escalas espaciales, por lo que los hallazgos de estos investigadores son útiles para el modelado climático, así como para mapear las posibles reacciones entre las superficies de la nieve y el intercambio de energía.
5. Las imágenes de drones validan los modelos computacionales. Los datos recopilados por drones también se han utilizado para restringir las entradas del modelo o para comparar datos con simulaciones de modelos en muchos campos diferentes en las geociencias. Una aplicación cada vez mayor es el modelado espacial de la estratigrafía (la secuenciación de capas de rocas en una formación).
Los drones tienen el potencial de revolucionar las evaluaciones de los patrones espaciales de los procesos terrestres, como lo demuestran dos estudios recientes.
Nieminski y Graham [2017] describen el modelado de la arquitectura estratigráfica para caracterizar afloramientos de difícil acceso en la cuenca de la costa este del Mioceno en Nueva Zelanda. Demuestran cómo la SfM en 3-D junto con las imágenes visuales en 2-D pueden permitir interpretaciones útiles tanto para la investigación como para el aula (Figura 4).
Fig. 4. Imagen SfM de una cara de cantera, abanico de deslave glacial del Pleistoceno, Otisco, Nueva York. El área en el rectángulo negro, ampliada en la imagen inferior, muestra que las facies delineadas son arena y grava mezcladas, colocadas dentro de facies de arena.
Crédito: J. Corbett, C. Scholz
Los drones también se usan comúnmente para crear entradas de modelos. Vivoni y otros [2014] demostraron que los datos a escala fina recopilados a través de drones pueden ser particularmente útiles para generar modelos hidrológicos distribuidos. Los autores describen varios conjuntos de datos diferentes derivados de drones, incluidos modelos de elevación y mapas de clasificación de vegetación, con resoluciones que van desde aproximadamente un centímetro hasta un metro que se utilizaron como entradas para un modelo de cuenca hidrográfica distribuida espacialmente.
Estas aplicaciones pueden resultar útiles en lugares donde se desean entradas con resoluciones inferiores a 10 metros, pero es posible que aún no existan.
6. Los drones hacen del mundo un lugar mejor. Más allá del mundo de la investigación, la revolución de los drones se está extendiendo a muchas aplicaciones humanitarias y ambientales cotidianas en todo el mundo. DroneSeed, una empresa con sede en Seattle, Washington, está utilizando enjambres de drones comerciales para controlar la vegetación invasora con herbicidas. La compañía tiene como objetivo utilizar drones para identificar sitios de microhábitats ideales para plantar árboles, desplegar vainas biodegradables y proteger el desarrollo de los árboles al limitar el crecimiento de vegetación invasiva. Buscan replantar grandes áreas de terreno accidentado con una fracción de la mano de obra necesaria para realizar el mismo trabajo a pie.
El seguimiento de las tortugas laúd a través de drones permite a los profesionales seguir a las tortugas para localizar y observar sus sitios de anidación.
Mientras tanto, los conservacionistas están protegiendo especies vulnerables, amenazadas o en peligro de extinción utilizando drones. Por ejemplo, la organización sin fines de lucro Leatherback Trust está rastreando las tortugas laúd a través de drones, lo que permite a los profesionales seguir a las tortugas para ubicar y observar sus sitios de anidación, en lugar de identificar minuciosamente los nidos a pie. Y abundan aún más usos. Por ejemplo, a raíz de los recientes desastres provocados por huracanes en el sur de Estados Unidos, se utilizaron drones en operaciones de búsqueda y rescate, así como para la evaluación de daños a la infraestructura [Moore, 2017].
Notas sobre regulaciones
A medida que ha evolucionado el uso de drones, también lo ha hecho el panorama regulatorio.
En los Estados Unidos, las regulaciones distinguen entre operaciones recreativas y operaciones que son de naturaleza comercial y profesional, incluidos los esfuerzos de investigación [Administración Federal de Aviación, 2017].
Estas regulaciones especifican la formación y la certificación necesarias para los pilotos remotos y establecen las condiciones para una operación segura.
Las regulaciones varían entre países y localidades; por lo tanto, cualquier persona que planee utilizar aeronaves no tripuladas en un programa de investigación debe revisar las reglas aplicables y obtener los permisos y certificaciones requeridos durante las etapas de planificación del proyecto.
Dicha diligencia debida debería garantizar la recopilación de datos legal y segura.
Ascendiendo a nuevas alturas
Los drones están revolucionando el mundo de la investigación, la industria y el medio ambiente en general. La tecnología tiene un potencial incalculable para modernizar los enfoques de las tareas que consumen mucho tiempo y energía al tiempo que mejora la documentación y las imágenes, la conservación del medio ambiente y, en última instancia, la calidad de vida en todo el mundo. Cuando se trata de drones en las geociencias y el medio ambiente en general, el cielo es el límite.
Fuente: www.linkedin.com/pulse/drones-geoscience-research-sky-only-limit-gehrig-schultz/