Vehículos aéreos no tripulados para Estudios Glaciológicos

En julio del 2010, investigadores del Departamento de Geografía de la Universidad de Calgary, utilizan un vehículo aéreo ligero no tripulado (UAV) para llevar a cabo un levantamiento aereo de la región terminal del glaciar Bylot, en el

Ártico canadiense. El levantamiento comprende 16 líneas de vuelo, con un total de 148 fotos que se obtienen a partir de una altura media de 300 metros sobre la superficie del glaciar. Se produjo un modelo detallado de la superficie del glaciar y una ortofoto de resolución de 10 cm. Los resultados de este levantamiento serán utilizados para cuantificar los cambios futuros en la masa glaciar y los cambios en la superficie de los patrones del flujo.

En los últimos años, se ha puesto una gran énfasis en documentar los efectos del cambio climático en las regiones árticas. Los estudios de las zonas glaciales tienen una rápida evolución y requieren mediciones precisas y regulares con el fin de cuantificar parámetros como balance de masas, tasas de retiro, y el cambio de dinámica de flujo. Lamentablemente los costos de los programas de control periódico mediante fotogrametría aérea o imágenes satelitales de alta resolución pueden ser prohibitivos, especialmente para regiones remotas del Ártico.

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Figura 1

La llegada de vehículos aéreos ligeros no tripulados (UAVs) ha hecho posible llevar a cabo a bajo costo levantamientos fotogramétricos aéreos en áreas pequeñas, a corto plazo. Estas plataformas no son capaces de llevar una cámara aérea de tamaño completo, así que utilizan cámaras compactas de bajo costo y compensan al volar a altitudes más bajas. Siempre que alla buenos puntos de control en tierra y una adecuada calibración de la cámara, no hay ninguna razón por la que los buenos resultados no se pueden obtener de un ajuste de bloques rigurosos con fotografías producidas a partir de dicho levantamiento.


Objetivo

El objetivo del estudio fue realizar un estudio exhaustivo fotogramétrico de la región terminal del Glaciar Fountain, utilizando un UAV ligero. El modelo 3D resultante y el mosaico de ortofotos se utilizará para proporcionar datos precisos de referencia para los estudios sobre la dinámica de los glaciares y adelgazamiento de la superficie.

Localización

El área de estudio se encuentra en la Isla Bylot en el Ártico canadiense (ver figura 1). Fountain Glacier es un glaciar ártico relativamente pequeño, teniendo alrededor de 15 km de largo y unos 1,3 de ancho. Desde principios de 1990, el glaciar ha empezado a retirarse rápidamente, con tasas de retroceso de más de 10 millones por año, que se miden a partir de imágenes satelitales recientes.

El área alrededor de Fountain Glacier ha sido estudiado por investigadores de la Universidad de Calgary durante varios años. Los intereses actuales de investigación incluyen la inteacciones del glaciar entre el permafrost (Dr Brian Moorman), hidrología del glaciar (Pablo Wainstein), y la dinámica de la superficie del glaciar (Ken Whitehead).

Los glaciares del Ártico como Fountain tienden a ser de lento movimiento, a menudo mostrando un alto nivel de inercia en la respuesta a los estímulos externos. Esto es muy diferente de los glaciares de montaña templados, que por lo general tienen un flujo mucho más rápido y muestran una respuesta más rápida a las cambiantes condiciones climáticas. Aunque se sabe mucho sobre los glaciares templados, glaciares árticos, y en particular la forma en que es probable que respondan a las cambiantes condiciones climáticas, son todavía relativamente poco conocidos.

La configuración UAV

El sistema UAV utilizado para el estudio fue proporcionado por Accuas Inc., de Salmon Arm, British Columbia. Accuas UAVs utiliza rutinariamente para llevar a cabo levantamientos fotogramétricos a pequeña escala para aplicaciones tales como la ingeniería y la estimación de los volúmenes de las existencias. Para este proyecto, la plataforma básica utilizada fue una UAV Outlander (ver figuras 2 y 3). Este avión tiene una envergadura de aproximadamente 2,5 m, y es capaz de transportar una carga útil de 0,5 kg. Debido a esta limitación de peso, el avión lleva una ligera cámara Panasonic Lumix LX3. Antes del vuelo, el plan de vuelo se carga en el piloto automático.

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Figura 2

Durante el vuelo, los registros a bordo con la posición del GPS, y el piloto automático realiza los ajustes necesarios para mantener la aeronave en curso. Una vez finalizado el vuelo, el registro de vuelo está descargado. Contiene información sobre la posición y orientación de todas las fotos recopiladas durante el vuelo.

Control de Estudio

Antes del vuelo, se llevó a cabo un estudio completo para establecer puntos de control en tierra (GCPs) en el glaciar. Los puntos fueron colocados cada 200 – 300 metros, en la mayor parte de la región terminal, y consistió en objetivos de 30 cm de diámetro de color rojo. Objetivos de mayor de 60 cm de diámetro se utilizaron en las zonas más oscuras adyacentes a la morrena del glaciar. Los puntos de control en tierra fueron colocados con un Trimble en tiempo real cinemático (RTK), sistema de posicionamiento global (GPS), con un estimado de precisiones en relación horizontal y vertical de más de 5 cm.

Planificación de vuelos.

Con el fin de obtener fotos con resolución de 10 cm, era necesario volar a una altura de 300 metros sobre la superficie del glaciar. Fountain Glacier está situado en una zona montañosa, con muchos de los picos superiores a 1.000 m de altura. La planificación cuidadosa de vuelo era necesario. Además, la elevación de la superficie del glaciar varió en aproximadamente 180 m sobre el área del levantamiento. Para evitar problemas de diversas escalas de fotos y lagunas en la cobertura del equipo estereoscopico, las líneas de vuelo fueron trasladados a través del glaciar en una dirección Norte/Sur, con el avión cayendo 12 metros entre las líneas sucesivas.

La planificación de vuelo se llevó a cabo utilizando el software desarrollado por la empresa Mission Planner de Accuas. Para evitar lagunas en la cobertura estereo, el traslape entre las fotos y entre bandas adyacentes se estableció en 65%. Este alto nivel de redundancia es típico en levantamientos UAV. Por lo general, sólo es necesario utilizar una segunda línea para el procesamiento, pero las fotos adicionales están allí, si es necesario.

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Figura 3

Procesamiento

Procesamiento se llevó a cabo en la oficina Accuas en Salmon Arm, utilizando el software Trimble’s. Cada segunda línea de uso, con fotos de relleno de las lineas restantes que se añaden para asegurar una cobertura completa en estéreo de los lados del valle escarpado. Seis GCPs, distribuidos sobre la superficie del glaciar, se convirtieron en puntos de control para proporcionar una estimación independiente de la precisión de la triangulación. Los GCPs restantes se utilizaron en el ajuste del bloque, y fueron asignadas desviaciones estándar horizontales y verticales de 5 cm. Otros 10 objetivos existentes de un estudio separado se incorporaron en el ajuste de bloques verticales como los puntos de control y teniendo en cuenta sólo una desviación estándar de 20 cm.

Los GCPs utilizados en el ajuste del bloque habían errores de una raíz media cuadrática (RMS) de más de 10 cm en X, Y y Z. Todos los puntos de verificación tenian residuos horizontales superior a 25 cm en X e Y, mientras que el peor residual en Z con cualquier punto de control fue de 54 cm. Este nivel de precisión era más que suficiente para cumplir con los objetivos del proyecto. Se produjo un modelo de resolución de 1 m de superficie digital del glaciar. Esta se utilizó para generar una serie de ortofotos, que se combinaron con el software Trimble’s para producir un mosaico de ortofotos de 10 cm de resolución (véase el gráfico 4). El nivel de detalle que figura en esta imagen es suficiente para producir un mapa impreso de 1,5 por 1,5 metros de extension, a una escala de 1:1.000.

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Figura 4

Conclusiones

El uso de un ligero UAV a hecho posible obtener una ortoimagen detallada y modelo de superficie de la región de Fountain Glacier a un precio adsequible. Los datos recogidos de este levantamiento ayudará a que el catálogo de efectos de cambio de las condiciones climáticas y ambientales tienen en la Fountain Glacier. Cambios futuros en el volumen y grosor del hielo de la región terminal se pueden comparar con este conjunto de datos para proporcionar información precisa sobre las tasas de adelgazamiento y el retroceso, y el seguimiento de características de superficie se pueden utilizar para determinar los cambios en los patrones de flujo a través del tiempo.

UAVs ligero ofrecen muchas ventajas para los estudios de campo en áreas remotas. Estos estudios de alta resolución aérea se pueden llevar a cabo económicamente y en los momentos oportunos. Cuando hay cambios rápidos, varios vuelos pueden llevarse a cabo a lo largo de una temporada de campo único.

Fuente:

Gim International

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