Antecedentes
El monitoreo fluvial tradicional suele depender de equipos terrestres fijos o muestreos manuales, los cuales ofrecen una cobertura espacial limitada y son complejos de desplegar en áreas con vegetación o propensas a inundaciones. Como resultado, estos métodos carecen de la resolución y flexibilidad necesarias durante condiciones de flujo dinámico.
Para abordar esto, investigadores del proyecto UAWOS consorcio, liderado por la Universidad Técnica de Dinamarca, llevaron a cabo un estudio con UAS de 10 km del río Rönne Å en Suecia durante el periodo del 28 de agosto al 1 de septiembre de 2023. El sistema combinó altimetría por radar, ecosondas, radar de penetración terrestre de baja frecuencia (denominado radar de penetración de agua, o WPR, en la terminología del proyecto UAWOS) y sensores Doppler para medir el nivel, la profundidad y la velocidad superficial del agua. El objetivo era evaluar si los sensores montados en drones podían igualar la precisión de los métodos terrestres en partes del río poco profundas, con vegetación y afectadas por la lluvia.
Desafíos
A pesar del potencial tanto de los métodos convencionales de monitoreo fluvial como de la hidrometría basada en UAS, el despliegue en campo reveló varias limitaciones técnicas y ambientales que debían abordarse:
- Cobertura espacial limitada de los sistemas tradicionales. Las estaciones hidrométricas terrestres suelen ofrecer mediciones puntuales. En sistemas fluviales dinámicos, esto genera vacíos de datos que limitan la comprensión de cómo cambian el nivel, la profundidad o el flujo del agua a través del espacio, especialmente durante condiciones climáticas extremas.
- Inaccesibilidad en áreas con vegetación o remotas. Muchas secciones del Rönne Å son difíciles de acceder debido a la densidad de la vegetación, las riberas empinadas o el terreno inestable. Los sistemas tradicionales no pueden operar en tales condiciones y podrían representar riesgos de seguridad para el personal.
- Inestabilidad de los sensores en aguas en movimiento. Para obtener datos de sonar precisos se requiere una posición vertical estable. Los sonares remolcados por drones se ven afectados por la inclinación provocada por la corriente y el movimiento del propio dron. Esto complica la obtención de mediciones de profundidad consistentes, especialmente en flujos rápidos o irregulares.
- Interferencia en el procesamiento de señales de radar. El radar de penetración en el agua (WPR) se ve afectado por la interferencia temprana de la señal causada por la vegetación y el ruido en la superficie del agua. Por lo tanto, resulta difícil aislar los reflejos del lecho en tiempo real o bajo condiciones de flujo variables.
- Desafíos del Doppler aerotransportado. Existen pocos precedentes sobre el uso de radar Doppler aerotransportado en hidrometría. Obtener lecturas de velocidad precisas requiere un vuelo estable, un control preciso del ángulo y una textura adecuada en la superficie del agua; condiciones que no siempre se cumplen durante los levantamientos a baja altitud.
Solución
Para comprobar si los sensores basados en drones podían igualar la precisión de los equipos terrestres, los investigadores realizaron un levantamiento de 10 km del río Rönne Å utilizando plataformas UAS multisensor. El estudio cubrió seis secciones transversales e incluyó mediciones de control en tierra simultáneas para su validación.
Los drones DJI Matrice 300 RTK fueron equipados con SkyHub y el sistema True Terrain Following de SPH Engineering para vuelos automatizados a baja altitud. Los drones transportaban:
- Altímetros de radar: Geolux LX-80 para medir la elevación de la superficie del agua.
- Ecosonda: ECT400S para el mapeo de profundidad.
- Radares de penetración en el agua (WPR): Zond Aero LF para batimetría sin contacto a través de vegetación.
- Sensores de velocidad superficial: Radar Doppler Geolux RSS-2-300W y GoPro Hero 8 Black para PIV (velocimetría por imagen de partículas) basada en video.
- Herramientas de LiDAR y fotogrametría: DJI Zenmuse L1 para modelado del terreno.
Cada flujo de datos de los sensores se procesó en tres pasos: registro de datos brutos, georreferenciación y sincronización, y proyección espacial en secciones transversales del río. Las precipitaciones del 31 de agosto crearon condiciones similares a una inundación, lo que permitió la validación bajo estrés hidrológico. Se desplegaron sistemas terrestres simultáneamente para permitir una comparación de rendimiento directa, punto por punto.
Resultados
Elevación de la superficie del agua (WSE)
Los altímetros de radar montados en el DJI Matrice 300 RTK midieron la elevación de la superficie del agua con una precisión vertical inferior a 3 cm. Las comparaciones con puntos de referencia GNSS y sensores de radar anteriores confirmaron una gran alineación y consistencia.
Batimetría
Los sistemas de ecosonda y radar de penetración en el agua (WPR) proporcionaron mediciones de profundidad complementarias. El ECT400S ofreció perfiles basados en sonar estables con desviaciones inferiores a 10 cm. Por el contrario, el sistema GPR (WPR) Zond Aero LF penetró con éxito la vegetación e identificó contornos del lecho que las ecosondas no pudieron detectar.
Todas las mediciones de profundidad se validaron frente a lecturas de ADCP, mostrando una precisión del WPR dentro de ±8 cm.
Velocidad del flujo
La velocidad del flujo superficial se capturó mediante el radar Doppler Geolux RSS-2-300W y se analizó junto con la velocimetría por imágenes de partículas (PIV) basada en video desde una cámara de acción resistente al agua (GoPro Hero 8 Black). El sistema Doppler mantuvo una resolución de 7,3 mm/s y logró desviaciones inferiores a 10 cm/s al compararse con los instrumentos OTT MFPro. Los resultados de PIV mostraron variaciones, especialmente en la sección transversal con vegetación XS1, pero se alinearon bien en otros sitios.
Conclusión
El estudio del río Rönne Å demostró que un sistema multisensor sin contacto basado en drones puede medir con precisión el nivel del agua, la profundidad y la velocidad del flujo, incluso en zonas poco profundas, con vegetación y afectadas por inundaciones. Con el respaldo de los sensores integrados de SPH Engineering, SkyHub y True Terrain Following, el sistema proporcionó resultados de medición precisos a baja altitud que coincidieron estrechamente con las referencias terrestres.
El conjunto de datos compartido públicamente respalda una investigación más amplia y muestra el potencial de la hidrometría basada en drones como una alternativa práctica a los métodos convencionales.
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