Estudios hidrológicos basados en drones para el caudal fluvial, la velocidad del flujo superficial y el nivel del agua
La hidrometría con UAV combina mediciones basadas en drones de la elevación de la superficie del agua, la velocidad del flujo superficial y la geometría del lecho del río para la estimación del caudal fluvial.
- Estime el caudal en secciones transversales seleccionadas más allá de la red de aforo fija o añada observaciones espaciales entre y alrededor de las estaciones establecidas.
- Combine mediciones de elevación de la superficie del agua, velocidad superficial y lecho del río durante una sola campaña de campo mediante vuelos separados y coordinados.
Desafíos de hidrometría que los flujos de trabajo con drones pueden resolver
El caudal del río, o flujo de corriente, es una variable fundamental para la predicción de inundaciones, la evaluación de recursos hídricos y el modelado hidrológico e hidráulico. Los medidores de río fijos proporcionan registros esenciales a largo plazo, pero observan ubicaciones discretas. Los estudios específicos con drones (UAV) pueden proporcionar observaciones espaciales en tramos sin aforar o de difícil acceso, así como durante campañas de campo cuando las mediciones convencionales en el agua resultan poco prácticas o inseguras.
Los medidores fijos proporcionan observaciones en ubicaciones específicas
Las estaciones de aforo fijas proporcionan registros de nivel de agua a largo plazo y, en muchos sitios, estimaciones de caudal continuo. En muchas estaciones, una curva de gasto relaciona el nivel de agua medido con el caudal. Su limitación es espacial: cada estación representa una ubicación específica del río.
Las mediciones puntuales dejan vacíos espaciales
Una estación puede proporcionar observaciones con una alta resolución temporal en un punto específico, pero no resuelve directamente la variación espacial en la elevación de la superficie del agua, la geometría del canal o el flujo a lo largo del tramo intermedio.
Los tramos con vegetación y riberas empinadas bloquean el acceso
La vegetación densa, las riberas empinadas y el terreno inestable pueden dificultar o hacer inseguros los estudios convencionales en el agua, además de limitar los lugares adecuados para colocar los instrumentos.
Las condiciones de inundación hacen que la medición por contacto sea peligrosa o imposible
Durante caudales extremos e inundaciones, medir una sección transversal del río mediante métodos de contacto puede resultar imposible, peligroso o requerir mucho tiempo. El USGS describe las grandes inundaciones y los flujos que cambian rápidamente como condiciones en las que la medición directa convencional del caudal puede volverse poco fiable, insegura o imposible.
Algunas mediciones de flujo establecidas aún requieren despliegue dentro del agua
Las mediciones convencionales del caudal de los ríos pueden requerir que los instrumentos se coloquen o desplacen dentro del agua. Los estudios con perfilador de corriente acústico Doppler (ADCP) se realizan habitualmente desde una embarcación, una plataforma anclada u otro despliegue específico del lugar, mientras que las mediciones con correntímetro pueden requerir vadear el río u otro tipo de instalación dentro del agua.
El aforo manual es lento a escala de sección transversal
El aforo convencional de caudales por el método de área-velocidad requiere observaciones repetidas de profundidad y velocidad en toda la sección transversal del río; los procedimientos de campo estándar pueden utilizar 20 o más verticales de medición, dependiendo de las condiciones del cauce y la incertidumbre requerida.
Aplicaciones de hidrometría con UAV para la investigación y el monitoreo fluvial
Perfiles de elevación de la superficie del agua a lo largo de un tramo fluvial
Un dron con capacidad RTK/PPK vuela a lo largo del eje central del río con un altímetro de radar orientado hacia abajo, montado en un estabilizador. El radar mide la distancia a la superficie del agua, dato que se combina con la posición georreferenciada del dron para obtener la elevación de la superficie del agua. El actual Protocolo de estudio WSE de UAWOS especifica una resolución a lo largo del río inferior al metro, una precisión vertical esperada de 3 cm o mejor y una productividad VLOS de 1,5 a 4,5 km/h. El perfil de elevación resultante puede utilizarse para estimar la pendiente de la superficie del agua y facilitar la calibración de modelos hidráulicos.
Elevación y geometría del lecho fluvial a partir de la combinación de LiDAR, ecosonda o GPR de baja frecuencia
El LiDAR mapea las riberas expuestas y la llanura aluvial, mientras que una ecosonda o un GPR de baja frecuencia perfilan el lecho del río bajo la superficie del agua. La elección del sensor depende de la profundidad del agua, la conductividad, la vegetación sumergida, las condiciones del lecho y el flujo. El actual Protocolo de Levantamiento de Geometría del Lecho Fluvial UAWOS especifica una precisión esperada de 10 cm o superior para los flujos de trabajo subacuáticos, dependiendo del sensor y las condiciones del sitio.
Medición de la velocidad del flujo en secciones transversales del río mediante radar Doppler transportado por dron
El radar Doppler transportado por dron mide la velocidad del flujo superficial a través de secciones transversales seleccionadas del río sin contacto con el agua. A diferencia de la velocimetría basada en imágenes, no requiere trazadores visibles ni luz diurna. El actual Protocolo de Levantamiento de Velocimetría de Flujo UAWOS especifica una precisión esperada de 0,1 m/s o superior en condiciones adecuadas. Las mediciones fiables requieren una rugosidad suficiente de la superficie del agua para la retrodispersión del radar.
Cambios en el lecho del río entre campañas sucesivas
Los levantamientos repetidos en secciones transversales georreferenciadas de forma consistente pueden identificar cambios en la elevación del lecho y en la geometría transversal cuando la diferencia observada supera la incertidumbre combinada del levantamiento. Esto puede servir de apoyo para el monitoreo de la erosión y la sedimentación que intersectan las secciones estudiadas. Con una cobertura batimétrica y topográfica de riberas a escala de tramo suficiente, las campañas repetidas también pueden facilitar el análisis de la migración de barras y riberas.
Cómo funciona nuestro sistema de levantamiento hidrológico con drones
La carga útil de hidrología se acopla al dron.
Radar de nivel de agua, radar de velocidad superficial, ecosonda o GPR. Conecte SkyHub. En menos de 15 minutos.
Importe la línea central del río a UgCS.
Dibuje la línea central para el perfil del nivel del agua para la elevación de la superficie o marque sus secciones transversales para otros sensores. Establezca la altitud, la velocidad y el tiempo de vuelo estacionario. Cárguelo en el dron. No se necesita conexión a internet.
Realice misiones automatizadas.
Mida la elevación de la superficie del agua a lo largo del tramo del río, perfile secciones transversales seleccionadas con sonar o GPR y recopile observaciones de velocidad superficial Doppler desde puntos de vuelo estacionario. SkyHub registra y georreferencia los datos de los sensores compatibles, mientras que UgCS controla la geometría de vuelo planificada y el seguimiento del terreno a baja altitud cuando es necesario.
Transferir datos. Procesar y alinear las mediciones.
Procese cada conjunto de datos de los sensores para obtener la elevación de la superficie del agua, la batimetría o la geometría del lecho del río y la velocidad superficial, y luego referencie los resultados a la línea central del río y a las secciones transversales medidas.
Estime el caudal e informe sobre el método.
Combine la geometría de la sección transversal con un método seleccionado para convertir la velocidad superficial medida en velocidad media o global, y luego estime el caudal en m³/s. El método de conversión y la incertidumbre asociada deben documentarse, y se deben utilizar mediciones de referencia para la validación cuando sea apropiado.
Soluciones de drones recomendadas para estudios hidrométricos fluviales
Kit de hidrología
HARDWARE
.png)
Un altímetro de radar mide la distancia a la superficie del agua y, combinado con la posición RTK/PPK del sensor, genera un perfil de elevación de la superficie del agua georreferenciado para el análisis de pendientes, el modelado hidráulico y la estimación de caudales, mientras que los radares de velocidad superficial miden la velocidad en una sección transversal sin necesidad de trazadores, iluminación ni contacto con el agua.
SkyHub es un ordenador de a bordo para drones que garantiza una integración fiable de los sensores y una recopilación de datos precisa y sincronizada durante cada vuelo.
SOFTWARE
Planificación de vuelos de drones desde escritorio para los pilotos más exigentes.
Plataforma de alojamiento para la colaboración.
Evalúe y procese datos de GPR y otros sensores.
FORMACIÓN
Formación técnica avanzada y soporte experto para elevar la experiencia de su equipo y garantizar una ejecución precisa y eficiente de sus misiones con drones.
Kit de ecosonda
HARDWARE
Las ecosondas montadas en drones proporcionan datos batimétricos precisos para la medición de profundidad, el monitoreo de sedimentos y el mapeo del terreno submarino.
SkyHub es un ordenador de a bordo para drones que garantiza una integración fiable de los sensores y una recopilación de datos precisa y sincronizada durante cada vuelo.
SOFTWARE
Planificación de vuelos de drones desde escritorio para los pilotos más exigentes.
Software de procesamiento de datos batimétricos.
Software de mapeo para levantamientos hidrográficos.
FORMACIÓN
Formación técnica avanzada y soporte experto para elevar la experiencia de su equipo y garantizar una ejecución precisa y eficiente de sus misiones con drones.
Kit de GPR
HARDWARE
El sistema de GPR basado en drones permite realizar mapeo del subsuelo de glaciares, servicios públicos enterrados y cavidades en áreas inaccesibles o inseguras para estudios terrestres.
SkyHub es una computadora de a bordo para drones que garantiza una integración confiable de sensores y una recopilación de datos precisa y sincronizada durante cada vuelo.
SOFTWARE
Planificación de vuelos con drones desde escritorio para los pilotos más exigentes.
Software de procesamiento de datos de GPR Radsys para GPR Zond.
Evalúe y procese datos de GPR y otros sensores.
FORMACIÓN
Formación técnica avanzada y soporte experto para elevar la experiencia de su equipo y garantizar una ejecución precisa y eficiente de sus misiones con drones.
Por qué los equipos de investigación utilizan las soluciones de SPH Engineering para hidrometría con drones
Métodos documentados para una investigación reproducible
UAWOS publica protocolos de topografía abiertos para la elevación de la superficie del agua, la geometría del lecho fluvial y la velocimetría de flujo superficial, junto con informes técnicos sobre la estimación del caudal fluvial. SPH Engineering forma parte del consorcio UAWOS de Horizonte Europa y proporciona la tecnología UgCS y SkyHub utilizada en los flujos de trabajo de campo integrados. Los resultados revisados por pares incluyen el conjunto de datos hidrométricos multisensor de Rönne Å y el estudio de Water Resources Research sobre velocimetría superficial Doppler mediante UAS.
Todas las variables de una misma campaña
Una plataforma de UAV compatible puede reconfigurarse con diferentes cargas útiles de hidrometría durante la misma campaña de campo. Se pueden realizar vuelos independientes para recopilar observaciones de la elevación de la superficie del agua, la geometría del lecho fluvial y la velocidad superficial, mientras que UgCS y SkyHub proporcionan un flujo de trabajo común para la planificación de misiones y la integración de sensores. Estas mediciones proporcionan los principales datos de entrada de los UAS utilizados para la posterior estimación del caudal.
Datos que se integran directamente en sus herramientas actuales
Los formatos de salida dependen de la carga útil y del nivel de procesamiento. Los flujos de trabajo actuales de UAWOS utilizan formatos como CSV y SEG-Y para datos hidrométricos, junto con formatos geoespaciales comunes como KML, GeoTIFF y LAS para los conjuntos de datos de apoyo. Esto permite transferir los resultados procesados a flujos de trabajo de SIG, modelado e investigación sin limitar el proyecto a un único formato de informe.
Confían en nosotros
Las tecnologías de SPH Engineering son utilizadas por más de 300 universidades, institutos de investigación y socios tecnológicos líderes.
%202.svg)
_black%201.svg)
Testimonios
"Nuestro objetivo es desarrollar drones inteligentes capaces de examinar automáticamente grandes áreas para buscar víctimas de avalanchas. UgCS permite la planificación y visualización de misiones de vuelo complejas en los Alpes bávaros, incluyendo la evitación automática del terreno."
"Nuestro laboratorio universitario alberga una variedad de sistemas aéreos no tripulados (UAS) para apoyar a investigadores científicos, tanto de EE. UU. como del extranjero, en una amplia gama de proyectos dentro del espectro de aplicaciones ambientales. Entre las diversas opciones, UgCS se ha convertido en nuestra elección para adquirir datos de estructura a partir de movimiento (Structure from Motion) de manera eficiente. Nos gusta la capacidad de seguimiento del terreno que ofrece UgCS, además de la facilidad con la que podemos configurar rápidamente nuestras cámaras térmicas, multiespectrales e hiperespectrales con la aeronave. Podemos confiar en que UgCS nos ayudará a completar nuestras misiones con éxito y valoramos su excelente servicio de atención al cliente".
«Nuestra misión es ayudar a los agricultores a que el futuro de la agroindustria sea más sostenible, innovador y rentable, independientemente de los cambios constantes del entorno, proporcionando información práctica a nivel micro sobre cada hoja y planta. UgCS nos ayuda enormemente a trabajar con los pilotos de drones y el servicio técnico, agilizando la incorporación y reduciendo el margen de error».
Preguntas frecuentes sobre estudios hidrológicos con drones para la investigación fluvial
¿Qué tan precisa es una estimación de caudal de un río mediante drones en comparación con el aforo convencional?
La precisión depende de la incertidumbre en la geometría de la sección transversal, la elevación de la superficie del agua y las mediciones de la velocidad superficial, así como del método utilizado para convertir la velocidad superficial en una velocidad media representativa de la profundidad o velocidad global. No existe un valor único de precisión de caudal que se aplique a todos los ríos o configuraciones de levantamiento. UAWOS trata el caudal como una cantidad derivada en lugar de una medición directa del dron, por lo que el método de conversión seleccionado y su incertidumbre deben estar documentados. Para aplicaciones de investigación e ingeniería, el caudal derivado de drones debe compararse con un método de referencia establecido siempre que sea práctico.
¿Esto reemplaza nuestra red de estaciones de aforo?
No. Complementa la red de aforo. Las estaciones fijas proporcionan registros continuos a largo plazo en ubicaciones establecidas, mientras que los levantamientos con drones añaden observaciones espaciales en secciones transversales seleccionadas que no cuentan con aforo o son de difícil acceso. Son especialmente útiles para campañas específicas, para cubrir vacíos espaciales entre estaciones y en condiciones donde las mediciones dentro del agua son difíciles o inseguras.
¿Qué condiciones de campo pueden limitar un levantamiento hidrométrico con drones?
La idoneidad depende del método de medición. La velocimetría Doppler requiere una rugosidad suficiente en la superficie del agua, lo que significa que no es adecuada para ríos muy lentos sin olas en la superficie. El rendimiento del GPR depende en gran medida de la conductividad del agua, la profundidad y las propiedades del lecho. Los ecosondas anclados pueden ser difíciles de operar en corrientes rápidas o con vegetación sumergida densa. Los levantamientos a baja altitud también requieren un espacio libre adecuado para evitar obstáculos, un buen rendimiento del GNSS y condiciones de vuelo permitidas, mientras que el viento, las precipitaciones y las restricciones del espacio aéreo pueden impedir la operación segura de los drones. Por lo tanto, las condiciones del sitio deben evaluarse antes de seleccionar la carga útil y la geometría del levantamiento.
¿Cuándo debemos utilizar la ecosonda frente al GPR de baja frecuencia para el lecho fluvial?
Elija en función de la profundidad del agua, la conductividad eléctrica, la vegetación sumergida, las características del lecho y las condiciones del flujo. El GPR no requiere contacto, pero está fuertemente limitado por la conductividad eléctrica, la profundidad del agua y las propiedades del fondo; el actual protocolo de lecho fluvial UAWOS indica que, dependiendo de la profundidad y las condiciones del fondo, el GPR puede utilizarse normalmente hasta aproximadamente 300–400 μS/cm (se recomiendan <200 μS/cm para obtener el mejor rendimiento posible del método), mientras que un agua más conductora puede descartarlo. El sonar remolcado no está sujeto a la misma limitación de conductividad eléctrica, pero su despliegue se vuelve más difícil con flujos más rápidos, y sus mediciones pueden verse afectadas por la vegetación sumergida (para ecosondas de frecuencia única; los dispositivos de doble frecuencia proporcionan datos limpios incluso en fondos con vegetación).
¿En qué se diferencia la velocimetría Doppler aerotransportada por dron de la velocimetría basada en imágenes?
La velocimetría por imagen obtiene la velocidad superficial mediante el seguimiento de patrones visibles o trazadores en secuencias de imágenes, por lo que son importantes una textura o siembra superficial adecuada, la iluminación y la estabilización de la imagen. El radar Doppler obtiene la velocidad superficial a partir del desplazamiento Doppler de las microondas reflejadas por la superficie del agua en movimiento y no requiere siembra ni luz diurna. Sin embargo, requiere una rugosidad suficiente de la superficie del agua para una retrodispersión fiable. Los valores de velocidad de campo pueden visualizarse durante la adquisición, mientras que los informes precisos utilizan el postprocesamiento de los espectros Doppler registrados.
¿Necesitamos permisos especiales para los sensores de radar?
El cumplimiento de la normativa de radiofrecuencia depende del sensor, la configuración y el país, y es independiente de los permisos de operación de los UAV. Antes de su despliegue, los investigadores deben confirmar la carga útil del radar y el uso aéreo previsto con el fabricante y la autoridad nacional pertinente. En la UE, los equipos de radio están sujetos a la Directiva de Equipos Radioeléctricos aplicable y a los requisitos nacionales de espectro. En Estados Unidos, los operadores no deben asumir que las normas aplicables al GPR terrestre cubren automáticamente una configuración de radar de penetración en el agua aerotransportado: la 47 CFR §15.503 define el GPR para esta subparte en relación con el funcionamiento en contacto con el suelo o a menos de un metro de este, mientras que los sistemas de imagen UWB cualificados también están sujetos a las restricciones de funcionamiento de la §15.509 y a los requisitos de coordinación de la FCC según la §15.525.