Mapear lo inaccesible: por qué los geólogos utilizan drones para crear modelos 3D de acantilados, costas y volcanes

"El uso de drones ha revolucionado el trabajo de campo geológico, ha cambiado fundamentalmente la forma de trabajar, y sólo estamos viendo el principio. El potencial es enorme". 

Profesor John Howell, Universidad de Aberdeen

La geología es el estudio de las rocas de la Tierra. Un aspecto clave de la ciencia es hacer observaciones de lo que vemos en la superficie, en acantilados y canteras, y luego extrapolar lo que se encuentra bajo tierra. Los geólogos llevan más de 200 años mapeando y midiendo, pero recientemente la llegada de los drones ha cambiado radicalmente su forma de trabajar. El profesor John Howell y su grupo de investigación de la Universidad de Aberdeen, en colaboración con NORCE Research (Noruega), han sido pioneros en la forma en que los drones pueden mejorar el modo en que los geólogos mapean el planeta.

Gran parte de su trabajo se centra en ayudar a las empresas petroleras a tomar decisiones óptimas de perforación en lugares como el Mar del Norte. El profesor Howell explicó que "una empresa perforará un pozo para alcanzar un objetivo a miles de metros de profundidad. La información sobre la ubicación de ese objetivo se basa en pozos adyacentes que pueden estar a varios kilómetros de distancia. Utilizamos las rocas que estudiamos en la superficie para entender mejor lo que ocurre con los estratos que queremos rastrear bajo tierra". Dado que los pozos típicos cuestan más de 25 millones de dólares, el uso de dicha información es de gran valor para reducir la incertidumbre de la perforación.

En 1990, el grupo de investigación del profesor Howell comenzó a recoger este tipo de datos mediante técnicas analógicas. Esto implicó fotografiar, dibujar, medir y descender repetidamente en rappel para llegar a las partes de difícil acceso.

Más tarde, en 2004, el equipo comenzó a utilizar LiDAR terrestre, que mejoraba la precisión pero era caro y engorroso. También fue difícil rastrear la parte superior de las secciones del acantilado. Esto le llevó a asociarse con Helimap, un grupo suizo con un LiDAR terrestre montado en helicóptero. Los resultados eran decentes, pero la adquisición de datos era muy cara: adquirir datos de 1 km de acantilado costaba más de 1.000 dólares. El paso a los drones en 2011 fue una progresión natural, inicialmente con el fin de adquirir imágenes para rellenar las lagunas de los modelos y luego para construir esos modelos mediante fotogrametría.

En 2014, cuando el grupo adquirió su primer DJI Phantom, el enfoque de drones/fotogrametría había sustituido a los láseres para convertirse en una herramienta cotidiana. Cuatro años después, estas técnicas han sido ampliamente adoptadas por la comunidad geológica. El profesor Howell lo llama "la revolución de los afloramientos virtuales (Virtual Outcrop Revolution)".

Un afloramiento virtual es un modelo fotorrealista en 3D de una sección del acantilado, que puede utilizarse para realizar mediciones similares a las que haría un geólogo sobre el terreno. La difusión de este enfoque en geología se debe a dos desarrollos tecnológicos paralelos.

1. La aparición de drones asequibles  y fáciles de volar con cámaras de alta calidad, como la serie DJI Phantom;

2. El desarrollo de la Structure for Motion (SfM), una rama de la fotogrametría que permite construir modelos 3D con características complejas, como acantilados, a partir de fotografías estándar en un ordenador de sobremesa o portátil estándar. Aunque la fotogrametría existe desde hace más de 100 años, estos nuevos algoritmos la hacen accesible a los no especialistas y asequible.

El profesor Howell y sus colegas han realizado varios estudios de referencia en los que se comparan modelos construidos a partir de datos recogidos por escáner LiDAR y drones. Aunque los modelos LiDAR son más exactos y precisos, los modelos fotogramétricos son más que adecuados. Y mientras que un estudio tradicional de un kilómetro de acantilados podría requerir de 2 a 2 días de escaneo y una semana de procesamiento, el mismo terreno puede ser cubierto por un dron en 20 minutos y procesado durante la noche.

La precisión se mide tradicionalmente como la densidad de la muestra de tierra (tamaño del píxel). El equipo de investigación examinó además la exactitud y la precisión, donde la precisión es la distancia entre 2 puntos del modelo en relación con esa distancia en el mundo real, y la exactitud es la ubicación de las características en el modelo en relación con sus coordenadas en el mundo real.

En los modelos de varios kilómetros de longitud, explica, los investigadores suelen tener una precisión de unos pocos centímetros, lo que es comparable a los datos LiDAR que solían recoger, pero mucho más rápido. Hoy en día, es posible obtener levantamientos subcentimétricos con los modernos sistemas LiDAR, pero a diferencia de la topografía arquitectónica, este nivel de detalle no suele ser necesario. 

Con la popularidad del enfoque de los afloramientos virtuales, las aplicaciones han cobrado más importancia que los propios métodos. Además de su trabajo con la industria petrolera, el grupo ha desarrollado otros proyectos interesantes, sobre todo su labor de investigación en el Stromboli, en el sur de Italia, que produjo el primer modelo térmico en 3D de un volcán activo.

El uso de drones para predecir erupciones ya está bien documentado en el caso particular del Etna, en Sicilia. En este trabajo específico sobre Stromboli, el equipo colaboró con el profesor Dougal Jerram, vulcanólogo de la Universidad de Oslo. Los dos grupos utilizaron una serie de drones proporcionados por el COPTRZ para mapear el volcán mediante fotogrametría estándar e imágenes térmicas. El trabajo se documentó en un cortometraje disponible en la Universidad de Aberdeen. El equipo regresó dos veces en 2017 y 2019 para supervisar los cambios en el volcán y planea volver de nuevo una vez que se levanten las restricciones impuestas por Covid19.

Volcanes como el Stromboli ya están bien documentados y vigilados, pero el objetivo a largo plazo del equipo de investigación es desarrollar un sistema de vigilancia de volcanes de bajo coste basado en drones que pueda desplegarse en los países en desarrollo.  Con más de 500 millones de personas viviendo en zonas de riesgo de erupción, la predicción es clave. El objetivo del equipo de investigación es desarrollar un sistema que realice sondeos de forma repetida que puedan utilizarse para identificar cambios en el flujo de calor a largo plazo y cambios en la superficie del suelo que suelen ser los precursores de una erupción. Este sistema autónomo costaría una fracción del coste de los sistemas de vigilancia convencionales.

Con 9 investigadores y 20 estudiantes de doctorado que trabajan en una amplia gama de proyectos de geología virtual, el grupo también está comprometido con la difusión y el intercambio de los resultados de su trabajo con el resto del mundo. "Al principio, cuando empezamos a trabajar con afloramientos virtuales, no había ningún software para visualizar o manipular los datos, así que construimos el nuestro". Recientemente han lanzado Lime, un software especializado diseñado para la comunidad en general que ha demostrado ser de gran valor para los geólogos de todo el mundo.

Cuando la propagación del Covid-19 obligó a suspender los viajes, el profesor Howell lanzó el sitio web V3Geo, que muestra más de 200 de sus mejores modelos a través de un visor web especialmente diseñado. Los modelos están disponibles públicamente para la enseñanza y la investigación y han sido de gran valor para los académicos y grupos que luchan por encontrar una alternativa en línea a las excursiones tradicionales.

"El profesor Howell afirma: "Estamos muy entusiasmados con el número de personas que utilizan V3Geo. La próxima etapa es ponerlo a disposición de otros para compartir modelos, crear una comunidad en línea y mostrar todos los afloramientos del mundo. Aunque llevamos 220 años haciendo mapas geológicos, sólo hace 20 años que podemos crear afloramientos virtuales. El potencial futuro es enorme y sólo está limitado por nuestra imaginación", afirma. 

El profesor Howell es un firme partidario de compartir y está dispuesto a animar a los científicos a recoger datos con drones. Recomendamos considerar las siguientes soluciones cartográficas, con más detalles disponibles en nuestra guía del comprador: