CAPTURA DEL SUELO DESDE EL AIRE CON FINES DE INGENIERÍA GEOTÉCNICA

La gente ha estado fotografiando la superficie de la Tierra desde que lo hicieron posible los vuelos en globo aerostático o en los primeros aviones. El advenimiento de la Primera Guerra Mundial vio el uso cada vez mayor de la fotografía aérea para mapear el terreno y las posiciones militares. Esto se desarrolló rápidamente durante la Segunda Guerra Mundial y luego con fines civiles, con la adquisición regular de fotogrametría aérea estereoscópica, tomando fotografías superpuestas desde ángulos ligeramente diferentes para crear una imagen en 3D del paisaje. En las últimas décadas, los avances han ido un paso más allá con la adquisición y el procesamiento de datos digitales y el uso de vehículos aéreos no tripulados, también llamados UAV o drones.

La adquisición e interpretación de fotogrametría aérea estéreo es un método probado pero eficiente para mapear el terreno o realizar estudios repetidos, particularmente en áreas grandes. Como resultado, muchos países tienen archivos de fotografías aéreas, algunos de los cuales se remontan a muchas décadas atrás. Estos archivos son una fuente fantástica de información para mapear el uso de la tierra, la infraestructura, los riesgos geológicos y el terreno, así como para la planificación del desarrollo de infraestructura y proyectos de gestión ambiental. Las agencias cartográficas nacionales de algunos países suelen tener programas en los que se realizan estudios repetidos a intervalos regulares, y las imágenes se utilizan para actualizar los mapas topográficos y de infraestructura. Sin embargo, no todos los países tienen estos archivos ni otorgan acceso a ellos. A menudo también puede resultar difícil obtener los permisos necesarios para volar un avión sobre un área y adquirir fotografías aéreas. La planificación y realización de reconocimientos aéreos puede ser costosa, consumir mucho tiempo y depender en gran medida del clima. Por lo tanto, adquirir nuevas fotografías aéreas no es particularmente reactivo; en general, no se puede hacer de manera rápida o con poca antelación. Tampoco se presta para recopilar imágenes o datos topográficos sobre sitios de proyectos pequeños, como una pequeña área de deslizamiento de tierra, sobre un sitio específico o a lo largo de secciones cortas de un activo lineal (carretera, ferrocarril, oleoducto o protección costera).

La creciente disponibilidad de drones pequeños, asequibles y fáciles de usar está ayudando ahora a superar los obstáculos que enfrentan los estudios desde aviones convencionales. Los drones pueden llevar cámaras de alta calidad y otros sensores que pueden adquirir imágenes de alta resolución (hasta una resolución milimétrica) y una precisión posicional centimétrica. Por ejemplo, los drones se utilizan cada vez más durante los recorridos por las obras y para monitorear las obras de construcción y las operaciones mineras, así como para inspeccionar los movimientos de tierras y los activos de infraestructura. Esto significa que los ingenieros geológicos y geomorfólogos debidamente capacitados pueden llevar un dron a los sitios y usarlo para obtener imágenes digitales de un área, como un deslizamiento de tierra o un movimiento de tierras, desde múltiples ángulos. Los drones también pueden hacer que la recopilación de datos del sitio sea más segura, por ejemplo, al eliminar la necesidad de que un equipo de campo se acerque o trepe a áreas potencialmente inseguras como rocas inestables o paredes de canteras, áreas activas de deslizamientos de tierra y carreteras y ferrocarriles muy transitados (Figura 1).

Además de la fotografía digital convencional, en el dron se utilizan cada vez más sensores multiespectrales o hiperespectrales, así como equipos LiDAR y, en ocasiones, sensores de imágenes térmicas o equipos de estudios geofísicos. Estos estudios combinados permiten adquirir una mayor riqueza de información, lo que lleva a una revolución en la forma en que los ingenieros geológicos y geomorfólogos hacen su trabajo. Por ejemplo, los datos LiDAR se pueden utilizar para generar modelos digitales de superficie o modelos digitales de elevación, que proporcionan una representación 3D de la superficie del suelo. Al realizar múltiples estudios repetidos y adquirir conjuntos de datos similares cuidadosamente controlados en tierra, se pueden generar múltiples conjuntos de DSM que luego pueden usarse para producir modelos digitales de comparación de superficies, que pueden ayudar a resaltar áreas de terreno que pueden haberse movido entre los diferentes estudios. Dichos estudios podrían realizarse a intervalos mensuales, semanales o incluso diarios, algo que normalmente no sería factible con un estudio aéreo para la mayoría de los proyectos de ingeniería terrestre. Este tipo de actividad se lleva a cabo cada vez más para estudios de gestión de activos y para monitorear deslizamientos de tierra activos (Figura 2).

Originalmente, la interpretación de fotografías aéreas estéreo "tradicionales" (generalmente tomadas verticalmente desde un avión) se habría realizado mediante fotografías impresas superpuestas. Las fotografías proporcionan una imagen en 3D del terreno dentro del área superpuesta, cuando se ven a través de un estereoscopio (Figura 3). Luego se mapearían características como deslizamientos de tierra, ríos y erosión costera, a menudo a mano usando superposiciones transparentes sobre las fotografías y/o dibujando directamente en mapas de papel. Hoy en día, la tecnología digital ha reemplazado casi por completo los métodos tradicionales de adquisición, procesamiento e interpretación de datos. Las imágenes generalmente se capturan utilizando sensores digitales (montados en la aeronave o el dron) que a menudo pueden adquirir imágenes multiespectrales, hiperespectrales o térmicas, y las imágenes están disponibles casi instantáneamente, con un procesamiento limitado. Las imágenes digitales todavía se pueden ver estereoscópicamente utilizando software y hardware especializados, pero ahora a menudo se superponen a datos DEM, generalmente adquiridos simultáneamente junto con las imágenes, para brindar una visualización 3D de los datos. Las imágenes y los datos se pueden ver utilizando software SIG, junto con modelos de sombreado generados a partir de datos DEM (como el que se muestra en la Figura 4), otros conjuntos de datos geoespaciales, o dentro de software de modelado geológico del terreno o junto con modelos confederados.

Una ventaja clave de esta técnica es que evita los errores e imprecisiones asociados con las superposiciones tradicionales y la transposición de información a un mapa en papel para su posterior digitalización. Las imágenes aéreas digitales también se pueden ajustar mediante georectificación (ortofotografía) utilizando puntos de control terrestre para eliminar distorsiones de escala debidas a efectos de borde de una manera que no se puede lograr fácilmente mediante interpretación y mapeo manual. Esta creciente capacidad de adquirir grandes volúmenes de datos e imágenes puede plantear un desafío importante: cómo procesar e interpretar estos datos de forma rápida y eficiente. Con las recientes mejoras de software y el uso de aprendizaje automático e inteligencia artificial, se utilizan cada vez más herramientas y flujos de trabajo para automatizar el procesamiento e incluso parte de la interpretación. El mapeo automatizado de discontinuidades en las paredes rocosas y el reconocimiento de características geológicas son dos ejemplos. Sin embargo, como siempre, sigue siendo importante que la persona que utiliza estas herramientas digitales comprenda sus características y limitaciones, así como las características que se mapean, para producir datos e interpretaciones confiables.

Entonces, con acceso a todas estas imágenes digitales y fotografías tradicionales, ¿todavía necesitamos hacer trabajo de campo? Esta pregunta ha estado circulando durante muchos años y seguirá haciéndolo. Existe el argumento de que con la creciente capacidad de adquirir, visualizar, interpretar y evaluar esos datos en 2D y 3D, entonces quizás sólo el equipo de adquisición de datos necesite ir físicamente al sitio. Pero uno de los problemas clave con la interpretación de imágenes aéreas y adquiridas con drones es que es sólo una interpretación. Como ocurre con cualquier interpretación, pueden ser posibles otras interpretaciones, por lo que los resultados deben verificarse mediante observación de campo (es decir, verificación sobre el terreno). El nivel de detalle de la interpretación que se puede lograr no depende sólo de la escala de las fotografías aéreas o de las imágenes adquiridas con drones, sino también de factores como los efectos de sombra, la claridad atmosférica, la calidad de la cámara (o sensor) y la experiencia del intérprete.

Este último aspecto depende inevitablemente de la experiencia del intérprete con las condiciones del terreno y (por ejemplo) los tipos de comportamiento de riesgo geológico que están viendo, el entorno ambiental del área del proyecto y las técnicas de interpretación que se emplean. Las imágenes y fotografías tampoco nos informan sobre las propiedades físicas del suelo y los materiales rocosos que forman la superficie o el subsuelo del suelo. Esa información sólo puede recopilarse mediante observación de campo. Por lo tanto, a pesar del uso cada vez mayor de drones, así como del uso continuo de fotografías aéreas, seguiremos necesitando que profesionales de la ingeniería terrestre visiten el sitio para ver y experimentar de primera mano las condiciones del terreno que desean cartografiar. Esta comprensión será invaluable, ya que luego interpretarán las imágenes adquiridas.

Si bien las herramientas y tecnologías descritas aquí no son nuevas, se desarrollan continuamente a medida que se desarrollan nuevos sensores, plataformas y herramientas de procesamiento e interpretación. Entonces, ¿qué podría ser lo siguiente? En muchos sentidos, probablemente más de lo mismo, como el uso cada vez mayor de:

También habrá una mayor integración de las imágenes con otros conjuntos de datos del proyecto, como datos de investigación del sitio, información de monitoreo e información de diseño de infraestructura. Estos conjuntos de datos integrados se pueden utilizar como gemelos digitales del sitio de un proyecto y/o de la infraestructura que se ha mapeado. En algunos casos, esto también incluirá el uso de imágenes satelitales de alta resolución, otra forma de detección remota que se utiliza para mapear y monitorear los sitios de nuestros proyectos.

Existe una larga historia documentada del uso de fotografías aéreas estéreo para mapear el terreno y evaluar la actividad geopeligrosa (particularmente deslizamientos de tierra) en grandes áreas. Sin embargo, la creciente disponibilidad de drones está cambiando la forma en que se realiza parte de este trabajo. En el pasado, una de las primeras actividades de estudio documental habría sido determinar si existía alguna fotografía aérea estéreo para su sitio (o si se iba a adquirir). Hoy en día, tener la capacidad de realizar un estudio con drones de forma relativamente rápida, económica y con poca antelación significa que a menudo se pasan por alto los recursos de archivo. Es importante reconocer que tanto los conjuntos de datos de archivo como los recién adquiridos tienen un papel importante que desempeñar para ayudarnos a comprender el terreno, las condiciones del suelo, la geomorfología y el comportamiento de los riesgos geológicos en los sitios de nuestros proyectos.

Los drones se pueden utilizar para proporcionar un estudio de referencia antes de que comiencen las obras en el sitio y, posteriormente, información de seguimiento útil durante todo el ciclo de vida del proyecto. El uso de fotografías aéreas estéreo proporcionará una visión general a largo plazo de un sitio y sus alrededores, ofreciendo así cierto contexto para las imágenes de drones específicas del sitio que se adquieren, aunque esto, por supuesto, depende de la naturaleza del proyecto de ingeniería terrestre que se esté llevando a cabo. Otro cambio clave es que la mayoría de los estudios con drones habrían sido realizados anteriormente por contratistas especializados en estudios topográficos, a menudo al inicio de un proyecto. Hoy en día, es probable que dichos estudios sean realizados por un ingeniero geológico o geomorfólogo debidamente capacitado y calificado. Los estudios pueden repetirse periódicamente durante todo el ciclo de vida del proyecto, incluso quizás como parte de un régimen de seguimiento de riesgos geológicos o de inspección y gestión de activos. Esto significa que el equipo del proyecto puede orientar mejor el estudio en función de su comprensión de las condiciones del terreno del sitio y el comportamiento de riesgo geológico que están tratando de mapear o monitorear.

La experiencia ha demostrado que, ya sea interpretando fotografías aéreas estereoscópicas o imágenes adquiridas con drones, la integración e interpretación de todos los datos del proyecto por parte de profesionales experimentados familiarizados con las condiciones del terreno y el comportamiento de los riesgos geológicos presentes en el sitio es fundamental para obtener una interpretación correcta y proporcionar información útil. información al proyecto. Una parte clave de esto es contar con un equipo integrado de profesionales de la ingeniería terrestre (ingenieros geológicos, geomorfólogos e ingenieros geotécnicos) que puedan realizar el trabajo en colaboración, incluida la cuidadosa verificación de campo de los resultados. En sus manos, dichas fotografías e imágenes pueden convertirse en una rica fuente de información para quienes buscan comprender las condiciones del terreno en los sitios de sus proyectos o la actividad geopeligrosa que los afecta.