Aplicaciones de drones urbanísticas

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Aplicaciones de drones urbanísticas

drones y urbanismo

Introducción

Las plataformas aéreas no tripuladas, en adelante uAv, han emergido con gran fuerza en los últimos años. numerosas son las aplicaciones desde el punto de vista civil donde su uso está originando la aparición de nuevas líneas de negocio. Aplicaciones en agricultura, emergencias, ingeniería civil, patrimonio o energía están centrando en buena medida su uso. Ante esta situación se hace necesario el establecimiento de un marco regulatorio en su uso. en el caso de España éste queda definido con carácter temporal por el real decreto-ley 8/2014 de 4 de julio. Actualmente, y hasta que no esté aprobada la reglamentación definitiva, las operaciones que se pueden realizar se limitan a zonas no pobladas y al espacio aéreo no controlado. el objetivo del presente capitulo pretende poner de manifiesto la contribución de este tipo de aeronaves en la gestión y diseño de una ciudad, abarcando desde la producción de cartografía en su enfoque más tradicional hasta el apoyo en el desarrollo de un urbanismo sostenible.

El auge en el uso de uAv se debe en gran medida a dos factores claves: demanda de información geográfica y miniaturización de sensores. en primer lugar nos encontramos en un escenario donde el uso de la cartografía se ha democratizado.

El perfil de usuarios que maneja y demanda información geográfica es amplio.

Esta cartografía ha de ser actual y rápida, demandándose al mismo tiempo una información exacta. Esta exactitud debe ser entendida en todas sus componentes: posicional, temática, compleción, lógica y/o temporal. el usuario actual no solo demanda un producto que esté bien georreferenciado, además quiere que éste sea actual. Si bien el espacio geográfico es dinámico, este dinamismo se acentúa en espacios urbanos. Las metodologías y plataformas convencionales de producir información geográfica hacen que en ocasiones, bien en términos técnicos o económicos, resulte inviable tener actualizada la base de datos cartográfica. es en este punto donde los UAV ocupan su posición dentro del proceso de producción cartográfica, siendo posible generar productos cartográficos actualizados de pequeñas áreas. Además, debido al avance tecnológico en el diseño de sensores, estos han reducido sus dimensiones y peso. Esto permite emplear sensores RGB, multiespectrales, hiperespectrales, térmicos, etc. por tanto, casi todos los productos cartográficos que podamos generar desde una plataforma tripulada es posible abordarlos con plataformas no tripuladas. La gran diferencia estriba en el tamaño de la superficie abarcada.

A lo largo del capítulo se presentan distintas acciones e iniciativas donde los uAvs son empleados con éxito en el desarrollo de tareas relacionadas con el diseño y gestión de una ciudad.

Aplicaciones

El trabajo y uso de sistemas UAV, en la mayoría de los casos, es de máximo interés si cumple alguna de las tipologías de misión calificadas como «d»: Dull, Dirty o Dangerous (Braybrook, 2004). En este apartado se presentan un conjunto de utilidades donde una plataforma UAV puede resultar una herramienta eficaz en la gestión de un entorno urbano, estando primada la resolución temporal de la información, desarrollando trabajos que cumplan alguna de las tipologías citadas anteriormente. En ocasiones, algunos de los usos de un sistema UAV resultan similares a los ya realizados con plataformas tripuladas; a tal efecto estos sistemas ofrecen una nueva alternativa de abordar un proyecto. Dada la relativa facilidad en la adquisición de información frente a otros sistemas es posible pensar en nuevas aplicaciones además de las clásicas de producción cartográfica, primando la máxima actualidad en la información. el esquema conceptual a la hora de trabajar con sistemas UAV, Fig. 1, supone en primer lugar definir de forma clara cada uno de los objetivos que se pretenden alcanzar en la aplicación a desarrollar. A partir de este punto es necesario seleccionar la arquitectura de plataforma de vuelo más adecuada así como los sensores a emplear. Con respecto a la arquitectura de la plataforma, las mas empleadas son las de tipo multi-rotor, ala fija y helicóptero.

Algunos de los factores a considerar en su elección son el área a cubrir, el modo de captura de la información o la capacidad de carga de pago. Con respecto a los sensores empleados para recoger información del territorio van desde cámaras RGB de uso común a sensores multiespectrales o hiperespectrales. Estos tienen como objeto formar imágenes trabajando en diferentes rangos del espectro electromagnético, permitiendo desarrollar aplicaciones de producción de cartográfica clásica hasta la aplicación de técnicas de teledetección. Además es posible emplear otros tipos de sensores para el control de contaminación, recolectores de datos procedentes de otros sensores, etc.

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Una de las aplicaciones más directas y populares en el uso de plataformas no tripuladas es la generación de productos cartográficos. Mediante el empleo de sensores RGB de uso común es posible asistir tanto en el desarrollo de una planificación urbanística en su fase de diagnóstico como de ejecución. Los productos cartográficos que pueden producirse son los mismos que se pueden obtener a través del uso de una plataforma de vuelo tripulado: modelos digitales de superficies (MDS) y elevaciones (MDE), ortofotografías y/o cartografía vectorial. en función del tipo de actuación a desarrollar se hace necesario definir el tipo de plataforma de vuelo más adecuada.

Las plataformas de vuelo de tipo ala fija permiten abarcar mas territorio debido a que presentan, por lo general, una autonomía de vuelo superior a una hora, pudiendo alcanzar hasta tres horas en algunas ocasiones. Igualmente, plataformas de vuelo de tipo multi-rotor pueden ser empleadas para trabajos de carácter local, donde es necesario tener información de una zona acotada donde se esté desarrollando o se haya desarrollado una determinada actuación, con nulos requerimientos de despegue y aterrizaje.

Para que el producto elaborado tenga la categoría de «cartográfico» es necesario seguir un flujo de trabajo idéntico al empleado en un proceso fotogramétrico clásico. es necesario calibrar el sensor empleado, realizar un apoyo topográfico y calcular una aerotriangulación. A partir de esta última fase es posible generar un MDE y/o un MDS así como ortofotografías y restituciones. Los niveles de exactitud posicional alcanzados permiten que estos productos puedan ser empleados en trabajos de ingeniería y/o arquitectura (Mesas-carrascosa, et al., 2014a; Mesas-Carrascosa, et al., 2014b). El producto conseguido es una herramienta perfectamente válida tanto en la fases de diagnóstico y elaboración de planes urbanísticos como en las tareas de seguimiento y ejecución de dichos planes. Es posible generar cartografía antes y después de una determinada actuación, la cual puede pasar a un repositorio de datos donde un servicio técnico tendrá una cartografía del territorio actual donde apoyarse para abordar proyectos o asistir a la toma de decisiones. probablemente, desde este punto de vista las plataformas UAV pueden operar de forma alternativa a los vuelos fotogramétricos tradicionales. en este sentido, esto no quiere decir que una plataforma sustituya a la otra sino que son complementarias. cada actuación o proyecto implica una fase previa donde analizar qué sensores, necesidades, urgencia en la adquisición de información y superficie es necesario cubrir.

La urgencia en la toma de información en ocasiones es un factor clave a la hora de la elección entre una plataforma tripulada o no tripulada, no siendo posible en ocasiones el poder volar con las primeras. Otro aspecto a considerar es la superficie a cubrir, una gran superficie como la abarcada por un término municipal no es posible cubrirla con un vuelo de una plataforma UAV debido a la autonomía pero si es factible cubrir pequeñas áreas donde el territorio por su dinamismo haya sufrido o vaya a sufrir cambios. En la Fig.2 se muestra un ejemplo de los resultados obtenidos a partir de un vuelo UAV con un sensor RGB. La Fig.2.a se corresponde con una ortofotografía que informa sobre el resultado final de una acción urbanística.

La Fig. 2.b es la imagen más actual de la misma zona obtenida mediante plataformas convencionales. Resulta fácil advertir como no se tiene información de la zona de ampliación tras la finalización de la ejecución, contando con una información desactualizada.

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Además de poder generar un repositorio de ortofotografías y/o cartografía vectorial donde se muestre la dinámica de un territorio, los productos obtenidos constituyen una excelente base cartográfica donde poder fotointerpretar, identificar y localizar elementos de interés en la gestión urbanística de una ciudad. es posible digitalizar aquellos fenómenos de interés mediante herramientas SIG y/o cAd. en función de la arquitectura del sistema empleado por la administración local toda esta información puede incorporarse a bases de datos geoespaciales.

Uno de los usos es la asistencia y apoyo a la Encuesta de Infraestructuras y Equipamientos Locales (EIEL). Dicho proyecto tiene por objeto conocer con carácter periódico la situación y el nivel de dotación de las infraestructuras y equipamientos locales, permitiendo poder evaluar posibles necesidades, mejorando las inversiones y la planificación. La cadencia en la actualización de la información es anual. Si bien hoy día la información no es obtenida mediante el uso de UAV, el mantenimiento de la información geográfica de estas bases de datos puede ser desarrollada de forma continua mediante su uso. La monotonía en la ejecución de los trabajos cumple con una de las dimensiones donde el uso de UAV muestra su máximo interés, permitiendo agilizar los trabajos de captura e inspección bajo ciertas condiciones. A partir de una ortofotografía georreferenciada es posible extraer las coordenadas de los distintos elemento y asociarles una serie de atributos que los caractericen, conformando un base de datos geográfica con el inventario de equipamientos presentes en un área geográfica. En la Fig.3 se pueden identificar elementos relacionados con luminarias, registros de agua, etc., los cuales pueden ser registrados y formar parte de un inventario.

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El control y vigilancia del espacio urbano desde distintos puntos de vista, como puede ser todo lo que afecta al uso y explotación del mismo, vertidos y materiales tóxicos o sencillamente seguridad, son otros aspectos de especial interés.

Las plataformas UAV puede ser empleadas como policías urbanísticos a partir de las cuales poder detectar cambios en el territorio tales como presencia de nuevas edificaciones.

Estas tareas puedes ser abordadas desde dos espacios distintos aunque complementarios: los espacios bidimensional y tridimensional. En el espacio bidimensional, trabajando con ortofotografías es posible detectar la ausencia o presencia de nuevas edificaciones aplicando técnicas de detección de cambios aplicadas a imágenes. por el contrario, en el espacio tridimensional es posible detectar cambios estructurales tales como la construcción de una nueva planta en una edificación. Para ello mediante procesos de correlación de imágenes (Fig. 4) es posible obtener modelos digitales de superficie (MDS). Mediante la comparación de MDS de distintas fechas es posible detectar y localizar cambios y modificaciones derivados de un cambio en altura.

Dada la relativa facilidad en realizar vuelos no tripulados de forma sistemática es posible planear vuelos con cierta periodicidad sobre un espacio geográfico registrando información que posteriormente es contrastada con las bases de datos geoespaciales existentes de una administración local. De esta forma es posible detectar cualquier cambio en la propiedad tanto horizontal como vertical. una vez más, este tipo de vuelos pueden ser realizados de forma mecánica. el control urbanístico requiere de vuelos periódicos con un intervalo de tiempo relativamente corto, es decir, estamos de nuevo ante un trabajo monótono y rutinario abordable con estas plataformas.

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Igualmente interesante resulta la parametrización de la calidad del aire o el agua, aspectos a tener en cuenta para garantizar el confort de los ciudadanos. en ocasiones los trabajos de campo en estas acciones resultan costosos y abarcan un periodo de tiempo demasiado prolongado. Mediante plataformas espaciales o aéreas tripuladas es posible abarcar grandes áreas geográficas, pero en ocasiones éstas no ofrecen la resolución espacial necesaria o no son viables en términos económicos y/o temporales.

Hoy día ya existen aplicaciones y proyectos para monitorizar la calidad del aire y el agua usando UAV. Mediante el empleo de una cámara canon 50D y Tetracam ADC a bordo de un UAV de ala fija, Zang et al. (2012) detectan manchas de aceite sobre el río Yangzi que atraviesa la ciudad Chongqing (China). Para ello aplican técnicas de fotogrametría para la obtención de ortofotografías a partir de las imágenes captadas por los dos sensores. posteriormente mediante técnicas de teledetección generan mapas temáticos relativos a la calidad del agua, Fig. 5.

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De forma similar, mediante sensores medidores de concentración de monóxido de carbono, ozono u otras partículas se está ya analizando el estado de la atmosfera sobre entornos urbanos. países como Inglaterra o Dinamarca están empleando UAV para la identificación de fuentes y agentes alérgenos. bajo esta línea de trabajo, los UAV no solo se están empleando como instrumentos que albergan sensores medidores de alguna variable de interés. hoy día están surgiendo iniciativas donde estas plataformas están siendo empleadas como agentes activos contra la contaminación. Países como China, donde la contaminación atmosférica alcanza niveles perjudiciales para la salud están probando UAV para pulverizar agentes químicos que frenen y hagan caer los elementos contaminantes. Esta alternativa hoy día ya está presentando mejores resultados que sistemas tradicionales como el uso de autómatas en tierra.

Relacionado con el confort en la ciudad otras de las aplicaciones interesantes son las desarrolladas para medir el índice de contaminación lumínica, elaborando mapas y productos cartográficos a partir de la explotación de imágenes nocturnas. Su uso asiste en la puesta en marcha y desarrollo de planes y medidas de ahorro energético y de sostenibilidad. De la información generada es posible derivar cambios en el diseño de las luminarias del entorno urbano reduciendo y/o minimizando la iluminación innecesaria emitida hacia la atmosfera y limitando los niveles lumínicos. De este modo, y de forma simultánea, la habitabilidad de los individuos de la ciudad, seres humanos y animales, se ve mejorada, evitando o reduciendo casos de disfunción circadiana o cronosdisrupción.

La gestión y mantenimiento de zonas verdes y parques de las ciudades es otro tema de interés abordable mediante el uso de UAV. La explotación de la información recogida por sensores térmicos, multiespectrales o hiperespectrales permiten la aplicación de técnicas de teledetección que asisten en estas tareas, permitiendo conocer afecciones de forma temprana cuando aún no son apreciables en el espectro visible por los operarios que las controlan y los tratamientos son mas eficaces, o por ejemplo necesidades de agua en zonas verdes. en zonas donde aparezcan con relativa frecuencia periodos de escasez de agua, todo lo que implique un uso eficiente de los recursos revierte en la calidad de los ciudadanos.

El análisis de la eficiencia energética en edificios es otro tema de interés en el uso de los UAV, las inspecciones de fachadas de edificios es hoy día una realidad (Fox et al., 2014). Además de los estudios locales, las posibles concentraciones o bolsas de calor o frio dan lugar a microclimas urbanos. éstos juegan un papel importante tanto en el consumo energético como en las sensaciones de confort en los espacios exteriores. Siendo posible realizar inspecciones localizadas en el tiempo y/o en el espacio empleando sensores abordo de plataformas no tripuladas, resulta más interesante poder aplicar estos estudios a todo el entorno urbano.

En el primer escenario de trabajo es posible realizar por ejemplo una termografía de una fachada de un edificio o de un casco urbano en un instante de tiempo determinado. Si bien esta información es interesante, mucho más resulta el poder conocer la evolución de la temperatura a lo largo de un cierto periodo de tiempo, lo que implica realizar tantos vuelos como periodicidad se desee en la información. bajo estas condiciones quizás resulte más interesante emplear los sistemas UAV trabajando de manera integrada con otros sistemas implantados en el entorno urbano como pueden ser redes inalámbricas (Martínez-de dios, et al., 2013). En este sentido los sensores no forman parte del «payload» del sistema de vuelo sino que están instalados sobre el terreno.

Cada uno de ellos constituye un nodo de la red que estará recogiendo información como temperatura, humedad, decibelios, etc. Esta información ha de ser subida a un servidor permitiendo la generación de mapas temáticos de temperaturas, humedad, ruido, etc. En un caso ideal cada uno de los nodos que componen la red de sensores estarán conectados entre sí para que un nodo master sea el encargado de subir toda la información recogida por el resto. Para que exista un correcta comunicación entre nodos se hace necesario tener en cuenta la máxima distancia entre ellos, función de la tecnología empleada, y de la presencia de interferencias.

Debido a las características del entorno urbano resulta inviable en numerosas ocasiones configurar esta estructura de red. La alternativa pasa porque cada nodo de la red pueda subir la información al servidor empleando para ello un módulo de comunicación telefónica. Esta solución implica un sobrecosto por el propio módulo así como por la gestión de los usuarios de acceso a la red. Hoy día ya existen soluciones donde la plataforma UAV actúa como herramienta recolectora de información. en estos casos la plataforma UAV lleva alojado un modulo de comunicación inalámbrica de tipo Wifi, Bluetooth o Zigbee a partir del cual es posible recoger la información almacenada en cada nodo de la red al paso de la plataforma de vuelo por el área de influencia de éstos. esta información posteriormente será analizada y procesada por herramientas apoyadas en sistemas de información geográfica, obteniendo productos derivados para cada intervalo de tiempo.

Conclusiones

El uso y aplicación de sistemas UAV en el sector civil es hoy día una realidad, siendo una herramienta de trabajo muy útil en aplicaciones de ingeniería y/o urbanismo entre otras. A partir de los sensores abordo de estas plataformas es posible adquirir información del territorio tanto en modo imagen, colector de partículas, medición de parámetros atmosféricos, etc. teniendo en cuenta un escenario de trabajo urbano, las aplicaciones a desarrollar van desde la planificación a la gestión de estos espacios.

A partir de la información recogida es posible la asistencia de planes urbanísticos, control y vigilancia en materia de vertidos, gestión de zonas verdes y calidad ambiental y en definitiva del seguimiento de variables que aparecen íntimamente relacionadas con el confort de los ciudadanos. Los sensores a emplear cubren un amplio rango de posibilidades. La mejora técnica de sus prestaciones técnicas así como la miniaturización de los mismos ha dado lugar a que cualquier tipo de proyecto sea abordable usando estas plataformas.

Actualmente en España el uso de estas plataformas en espacios urbanos no está permitido por motivos de seguridad. Sin duda alguna hace falta un marco regulatorio para un buen uso de las mismas. El establecimiento de protocolos de actuación, tipología de plataformas y certificados pueden establecer un marco de trabajo donde poder emplear con garantías estos vehículos. Su aplicación originará sin duda alguna nuevas líneas de negocio y trabajo así como nuevas oportunidades de gestión de un entorno urbano. Nos gustaría terminar el presente capítulo haciendo nuestra una afirmación de Colomina, I.y Molina, P. (2014): Let them fly and they will create a new market.

Referencias

• BRAYBROOK, r. (2004): «Three “D” missions-dull, dirty and dangerous». Armada International, 28, 10-12.

• FOX, M.; COLEY, D.; GOODHEW, S. y de WILDE, p. (2014): «Thermography methodologies for detecting energy related building defects». Renewable and Sustainable Energy Reviews, 40, 296-310.

• MARTÍNEZ-DE DIOS, J. R.; LFERD, K.; de SAN BERNABÉ, A.; NÚÑEZ, G.; TORRES-GONZÁLEZ, A. y OLLERO, A. (2013): «Cooperation Between UAS and Wireless Sensor Networks for Efficient Data Collection in Large Environments». J. Intell Robot Syst, 70, 491-508.

• MESAS-CARRASCOSA, F.; RUMBAO, I.; BERROCAL, J. y GARCÍA-FERRER, A. (2014a): «Positional Quality Assessment of Orthophotos Obtained from Sensors Onboard Multi-rotor UAV Platforms». Sensors, 14, 22394-22407.

• MESAS-CARRASCOSA, F. J.; NOTARIo-GARCÍA, M. D.; de LARRIVA, J. E. M.; de la Orden, M. S. y GARCÍA-FERRER, A. (2014b): «Validation of Measurements of Land Plot Area Using UAV Imagery». International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 33, 270-279.

• ZANG, W.; LIN, J.; WANG, Y. y tTAO, h. (2012): «Investigating Small-scale Water Pollution with UAV Remote Sensing Technology». World Automation Congress (WAC), 2012, pp. 1-4.

 

Francisco Javier Mesas Carrascosa, Alfonso García-Ferrer Porras

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos y Montes

Universidad de Córdoba