“Integramos un sistema de sensores en un dron para agilizar el análisis de las zonas vulnerables de las costas”

De izquierda a derecha: Fernando José Aguilar Torres, Teresa Cruz (Fundación Descubre), Fabián Varas, José Luis Blanco Claraco, Ismael Fernández y Juan Antonio Báez.

PROTAGONISTAS:

• Juan Antonio Báez, director de I+D+i de la constructura Sando. (JAB)
• Ismael Fernández, investigador principal de la empresa Nadir (IF)
• Fernando José Aguilar Torres, catedrático Grupo de Gestión Integrada del Territorio y Tecnologías de la Información Espacial (FJAT)
• José Luis Blanco Claraco, profesor contratado doctor, grupo de Automática, Robótica y Mecatrónica. (JLBC)
• Fabián Varas, director técnico de Corporación Tecnológica de Andalucía. (FV)

¿Qué objetivos se planteó el proyecto 3D-COAST en su inicio?

Juan Antonio Báez, (JAB). Desde el punto de vista empresarial, nos interesaba un proyecto dedicado a zonas costeras. Por un lado, porque no existen muchos desarrollos en la línea de captura de información. Por otro, porque resulta un ámbito destacado por su importancia turística y en infraestructuras. A esto se sumó que el Instituto Español de Oceanografía  había publicado un informe que apuntaba que el nivel del mar en el Mediterráneo había subido entre 1990 y 2005, un total de 17 centímetros en Málaga. La previsión es que ascienda un metro en este siglo. Esto afecta a una parte de infraestructuras y viviendas. Todos estos factores despiertan nuestro interés en desarrollos con los que obtener información precisa que mejoren nuestra capacidad de ofertar licitaciones y ejecutar obras.

Fernando José Aguilar Torres,(FJAT). Actualmente, las imágenes más valiosas de la línea de costas corresponden a 1956. No obstante, la mayoría de los procesos erosivos no ocurren de inmediato. Con este proyecto pretendíamos rellenar un hueco existente en la obtención de datos de infraestructura espacial en relación a la actualización de datos geoespaciales. En España, contamos con el Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA), pero el obstáculo es que se actualiza cada cinco años. En algunos casos esto es suficiente, pero en los sistemas costeros que además de ser muy dinámicos, suman la presión del cambio climático que conlleva una subida del nivel del mar, necesitamos que la determinación no sea anual, sino semestral o trimestral.

Sistema embarcado en una plataforma para simular su actividad en un dron

Para aumentar la periodicidad, contemplamos dos alternativas. Por un lado, utilizar imágenes de satélite. Sin embargo, no son apropiadas en casos donde la respuesta tenga que ser muy ágil, por ejemplo, el efecto de una tormenta en una tarde. La respuesta debía llegar de algún sistema móvil tripulado para obtener información casi en tiempo real. Esto se conjuga con la tendencia actual de la utilización de los drones. Pensamos entonces en instalarle a los vehículos aéreos no tripulados una serie de sensores que permitieran obtener imágenes 3D para los entornos costeros.

¿Cómo se consigue la monitorización de zonas costeras?

Ismael Fernández, (IF). La toma de datos topográficos directos puede acometerse mediante la vía clásica con técnicas GPS, donde se toman datos puntuales para describir el terreno. La desventaja es su elevado coste y que resulta extremadamente laborioso. Otra aproximación es la cartográfica, donde se adquieren datos por sensores trasportados por aeronaves. Este caso tiene la ventaja de una captura masiva de información, pero no resulta ágil. Por eso decicimos incorporar una perspectiva tan interesante como la que proporcionan los drones. Nuestro proyecto aporta información extra, ya que podemos estudiar nuevos parámetros de interés, como los cambios de volúmenes de arenas.

¿Cómo funciona el sistema implementado en el proyecto?

José Luis Blanco Claraco, (JLBC). El sistema combina un escáner LiDAR y un GPS, que funcionan en varias fases. Por un lado, este sistema de posicionamiento mide distancia a los satélites y sitúa una ubicación concreta. Para ello, se incorporan modificaciones desde tierra porque la señal tiene que atravesar las capas de la atmósfera cuyas propiedades varían minuto a minuto y es necesario corregir sus parámetros para, en lugar de tener errores de metros, reducirlos a centímetros. Otra variable de análisis es la orientación de la aeronave. Se consigue mediante giróscopos, unos dispositivos sensibles a la rotación del cuerpo de la aeronave.

Dron durante el vuelo de prueba en la costa de Almería

La medición en sí se acomete con el LiDAR. Éste incorpora una serie de espejos que van rotando y emite 16 rayos láser. El dispositivo mide el tiempo de vuelo, lo que tarda la luz en volver, en nanosegundos. De esta forma, consigues una captura masiva de información. Además, se pueden detectar múltiples rebotes del láser lo que es muy útil, por ejemplo, en un paisaje arbolado ya que permite detectar el suelo y a qué altura están las copas de los árboles. El dispositivo recibe el primer eco de las hojas y el segundo del suelo.

¿Qué características tiene el sistema?

• (JAB). Con la fotogrametría, a partir de fotografías obtienes una nube de puntos. En el caso del LiDAR, es al contrario, a partir de una nube de puntos aparece casi una fotografía. Consigues tanta cantidad de información, de puntos, que el resultado se asemeja a una imagen.  De esta forma, el sistema es muy preciso.
• (FJAT). El dispositivo cabe en la palma de la mano y pesa menos de 400 gramos. Estas características están pensadas para montar el sistema en drones, ya que los LiDAR normales resultan muy pesados. Por otra parte, permite trabajar sin luz, fundamental para captar imágenes nocturnas y medir con condiciones atmosféricas adversas.
• (JLBC). También se ahorra tiempo de procesado. Con el láser, cuando aterriza la nave, tienes ya la nube de puntos de la reconstrucción topográfica de la costa. Con otros sistemas como los de visión, se requiere dejar trabajando al ordenador durante varias horas para obtener, a partir de la imagen capturada, la reconstrucción. Por tanto, no tienes una respuesta inmediata.

Imagen obtenida con el escáner Lidar

¿Qué novedades aporta el estudio?

• (JLBC). La incorporación de un láser lidar en un dron, por sus ventajas en el peso, el coste y la energía.
• (JAB). Existe el láser estático, el LiDAR aéreo, que se utiliza en vuelos convencionales, pero la combinación de todos esos dispositivos, hasta ahora no se había conseguido. Con este nuevo enfoque, que consigue la integración del escáner y el dron, la obtención de la información y el análisis de las zonas vulnerables se agiliza. De esta forma, por la mañana vuelas y por la mañana tienes los datos. Lo interesante del proyecto es precisamente el concepto de integración de sensores en el dron, porque aporta imágenes y nubes de datos para futuras aplicaciones.
• ¿Cuáles serían esas aplicaciones? Más  allá de la monitorización de zonas costeras.
• (JAB). La captura de información con dron ya se está utilizando en el seguimiento de obras. El vehículo aéreo no tripulado consigue más y mejor información con menos coste y menos peligro para el personal. Además puede resulta útil en la ordenación de espacios públicos. Muestra de ello es que, a raíz de este proyecto,  la dirección General de Sostenibilidad de la Costa y del Mar nos ha pedido que capturemos información de todas las playas de la provincia de Málaga. Tareas que hasta ahora se hacían con cartografía existente o vuelo convencional.
• (IF). Estamos muy interesados en testear el sistema para el control de vegetación porque se puede obtener un dato en la copa del árbol y otro del suelo. Otra aplicación es la inspección y medición de líneas eléctricas. El LiDAR nos aporta información sobre la posición de  los cables,  permite cartografiar la vegetación que surge alrededor de las líneas eléctricas y facilitar el acceso en zonas que resulten inaccesibles. Otro ámbito que estamos explorando es la de aplicación de sensores térmicos y multiespectrales, que ya se están explorando en agricultura de precisión.

Los expertos explican el proyecto

¿Cuál es la siguiente fase de la investigación?

(FJAT). Esta primera fase consistía en un proyecto de viabilidad técnica del sistema. Nos hemos sorprendido de los excelentes resultados obtenidos. Pensábamos, a priori, que íbamos a tener más problemas en los algoritmos basados en image matching para generar modelos de superficie fotogramétricos, ya que las playas de arena suelen presentar poca textura o detalles (elementos de referencia) para la ortientación de las imágenes. No obstante, ha funcionado muy bien.

(JAB). Queríamos comprobar que los sensores funcionan en un entorno costero. Hemos simulado su vuelo en un dron subiéndolo a una plataforma para tomar información aérea. Ahora el siguiente paso es integrar los sensores físicamente en la aeronave no tripulada e implementar los sistemas de comunicación y control de datos.

Otro objetivo de una segunda fase es desarrollar un algoritmo que gestione toda la información tomada de las costas en distintos periodos y nos aporte una visión de su comportamiento y evolución para prever un posible escenario de zonas vulnerables.

(JLBC). Otro aspecto que queda pendiente es la autocalibración. El sistema tiene dos  sensores: el GPS y el LiDAR. Al montarlo en un dron es muy importante que sepamos exactamente qué posición tiene uno con repecto a otro. El ser humano aprende estas tareas de orientación desde que nace, porque nuestros sentidos nos ayudan a aprender mediante ensayo y error, por ejemplo, a coger un objeto. En el dron estamos preparando algoritmos para que, al visionar objetos, se mueva y autorregule. Se trata de un proceso que está vinculado con las técnicas de robótica necesarias para que las máquinas se muevan automáticamente en un espacio físico.

Hay que tener en cuenta que el dron se transporta en una maleta, así que cada vez que se monta y desmonta puede sufrir desajustes. La idea es que, cuando arranque, se calibre solo. En un año podríamos tenerlo todo integrado en la fase prototipo obteniendo datos con precision.