Está encuadrado en el grupo de las aeronaves de ala rotatoria y, por tener unas dimensiones pequeñas, en la subcategoría micro UAV (Nebiker, Christen, Eugster, Flückiger, & Stierli, 2007). Es capaz de soportar un peso máximo de 2,5 kg, aunque a mayor peso menor rendimiento de la batería y por lo tanto menor autonomía de vuelo que, en condiciones normales, no supera los 12 minutos. Las condiciones meteorológicas exigidas para su buen funcionamiento son: humedad menor al 90%, vientos máximos de 35-45 km/h y temperaturas entre 0 y 40ºC. A esta aeronave se le ha adaptado un gimbal específico para poder integrar dos cámaras Olympus PEN E-P1, (una óptica y una modificada para captar el infrarrojo cercano) aunque para nuestra experiencia solamente emplea la óptica.

Skywalker kit: desarrollado por la empresa española Airelectronics y utilizado para volar en San Mateo de Gállego. Es un avión ligero de ala fija que se lanza a mano y que puede aterrizar prácticamente en cualquier superficie. El avión consta de un motor con una hélice, sistema GPS, sistemas de datos de vuelo, telemetría, control de cámaras añadiendo la georreferencia de las imágenes, emisora y aerofrenos que le pueden permitir acortar la maniobra de aterrizaje en caso de necesidad por fuertes vientos o zonas no demasiado visibles. Incorpora un autopiloto denominado U-Pilot®, embebido en el fuselaje, que gobierna todos los sistemas de control de vuelo y de adquisición de imágenes. Su estructura está formada de materiales compuestos y poliolefina expandida (EPO) que hacen del avión un vehículo extremadamente ligero (1,3 kg sin contar con la carga de pago) y con una elevada autonomía de vuelo (superior a 40 minutos). Bajo las alas lleva adaptadas una cámara en el espectro visible modelo Canon A810 y una cámara multiespectral modelo Tetracam ADC Micro. El Skywalker no funciona aisladamente y para su correcto funcionamiento necesita, además, el enlace de comunicaciones y la estación de tierra. Alcanza una velocidad superior a los 50 km/h, pudiendo volar en condiciones adversas de vientos de hasta 40 km/h.

E-Bee®: de la empresa Sensefly, perteneciente al grupo Parrot y utilizado para volar en Ayoó de Vidriales. Es una aeronave de ala fija, compacta, de 690g de peso y 96cm de envergadura construida con espuma de polipropileno expandido (EPP), estructura de carbono y partes de material compuesto. Posee un único motor sin escobillas de 160W y tiene capacidad de transportar diferentes cargas de pago previamente adaptadas (cámaras fotográficas, multiespectrales, térmicas, etc.). La autonomía de vuelo alcanza los 50 minutos.

2.2. Cámaras convencionales

El Mikrokopter maneja una cámara fotográfica digital Olympus® Pen EPM-1 (12,3 Megapíxeles y sensor Live MOS de 4/3”). Se trata de una cámara cuyo sistema micro cuatro tercios posibilita el utilizar objetivos intercambiables, pero con un tamaño y peso menor (265 g el cuerpo con batería y tarjeta de memoria incluidas). Junto a la cámara se empleó el objetivo M.Zuiko® Digital ED 12 mm f/2 de 130 g de peso.

El Skywalker monta una cámara compacta, de la marca Canon®, con un sensor CCD de 1/2.3 pulgadas de 16 Megapíxeles. Es muy ligera, apenas pesa 171 gr y tiene la posibilidad de poder adaptar un firmware modificado para facilitar las conexiones para el disparo remoto, que se conoce con el nombre de CHDK. Este programa permite la modificación de todos los parámetros importantes que se pueden registrar durante el vuelo, incluido la grabación en formato RAW.

El E-Bee utiliza una cámara digital compacta, la Sony® Cyber-Shot WX (18.2 Megapíxeles y sensor CCD tipo 1/2,3”). La aeronave se encarga de disparar automáticamente la cámara en función de la configuración de vuelo inicial.

2.3. Software

El procesado de las imágenes obtenidas con las cámaras fotográficas se realizó mediante el programa Agisoft PhotoScan® (PS) (Agisoft LLC, San Petersburgo, Rusia). Se trata de una de las principales soluciones informáticas de restitución fotogramétrica, de tipo comercial, disponibles actualmente que implementa la SFM-DMVR. Estas siglas hacen referencia a la Fotogrametría Digital Automatizada (SFM, Structure From Motion) y a los algoritmos de Reconstrucción en 3D de Alta Densidad a partir de Múltiples Puntos de Vista (DMVR, Digital Multi-View 3D Reconstruction), que permiten producir modelos 3D de alta precisión y calidad fotorrealista a partir de una colección de imágenes desordenadas de una escena u objeto, tomadas desde diferentes puntos de vista. Se trata de conseguir una sola imagen que contenga la información requerida a partir de la fusión de múltiples imágenes capturadas mediante la plataforma pertinente (Medina et al., 2013). La gran precisión del sistema (Doneus et al., 2011) y la baja desviación existente frente a los modelos obtenidos a partir de datos provenientes de escáneres láser son avaladas en múltiples trabajos (Rodriguez-Navarro, 2012).

Como en todo análisis de información geospacial se hace necesario el uso de herramientas SIG (Sistemas de Información Geográfica) capaces de integrar datos geoespaciales y descriptivos (Tolaba et al., 2014). En este caso, el procesado de los modelos digitales del terreno se realiza a través de Global Mapper® (Blue Marble Geographics, Maine, Estados Unidos) que es un software de análisis y procesamiento de datos SIG. El programa puede ejecutarse de forma autónoma o bien integrado como un módulo en otras herramientas SIG, y tiene capacidad para acceder a gran cantidad de repositorios de imágenes, datos topográficos y archivos MDT / MDS. Permite cálculos de distancias y superficies, análisis espectral, cálculo de volúmenes de corte y relleno, etc., además, es también compatible con datos LIDAR.

3. Metodología

La altura de vuelo óptima se estableció entre 75-100 metros (2-3 cm de resolución espacial, dependiendo de la cámara utilizada) y el solape mínimo, longitudinal y transversal en 70% y 40% respectivamente, para garantizar la correcta generación del modelo 3D con Agisoft PhotoScan®.

Tras la finalización del vuelo se procede a realizar el cálculo de biomasa por muestreo aleatorio de un mínimo de 3 puntos. Se trata de un muestreo de carácter destructivo y por ello debe realizarse a posteriori. En cada punto se lanza un aro de superficie conocida (0,25 m²), se georreferencia y se extraen las plantas que se encuentren en su interior (parte aérea).

Posteriormente, en el laboratorio, las plantas de cada muestra se pesan en húmedo, se secan y después se vuelven a pesar en seco. Los valores en peso que se obtienen, se extrapolarán posteriormente a toda la superficie de la parcela.

3.1. Corrección de las coordenadas GPS

Las coordenadas GPS de todos PC se corrigen aumentando en 1 metro su cota para evitar la aparición de zonas con volumen negativo entre el modelo digital de superficie (MDS) generado con PhotoScan y el modelo digital del terreno (MDT) obtenido a través del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) del Instituto Geográfico Nacional. Este error proviene fundamentalmente de obtener mayor resolución espacial del MDS generado con PhotoScan respecto al MDT del PNOA. Al aumentar la cota de los PC conseguimos que el MDS tenga una mayor cota también, consiguiendo así que la diferencia entre ambos modelos digitales sea positiva en toda la superficie.

Esto supone más volumen por unidad de superficie, sin embargo, no afecta a los cálculos de biomasa, ya que el Factor de Densidad (Kg/m³) que calculamos posteriormente se encarga de corregirlo (al aumentar el volumen, el factor de densidad decrece).

3.2. Creación del modelo digital de superficie

3.3. Cálculo del volumen por unidad de superficie de la parcela y de los puntos de muestreo de biomasa

Se cargan los modelos digitales de elevación (MDT y MDS) en el programa Global Mapper y se generan los recortes de las zonas de interés, de las cuales queremos obtener el volumen y su correspondiente superficie. Estas son:

• Toda la superficie objeto de la medición de biomasa. Se eliminan las calles u otra superficie que no se corresponda con la zona de trabajo. La idea es obtener el MDS únicamente de la zona de vegetación cuya superficie se corresponda con la superficie final en la cual se va a estimar la biomasa.

• Cada una de las zonas anexas a los puntos de muestreo en los que se tomaron datos de biomasa en campo.

Con ello definimos el volumen de vegetación por unidad de superficie de cada parcela y de los puntos de muestreo de biomasa, en este caso en m³/ha.

3.4. Cálculo del factor de densidad

Para poder estimar la biomasa de cada una de las parcelas es necesario calcular un factor de densidad que nos permita pasar de m³/ha a kg/ha. Esto se consigue gracias a los puntos de muestreo de biomasa medidos en campo. Con el dato de volumen y peso por unidad de superficie de cada punto de muestreo, se aplica la siguiente fórmula para calcular su factor de densidad:

Donde:

• Fd: factor de densidad (kg/m³),

• B: biomasa por unidad de superficie (kg/ha) y

• V: Volumen por unidad de superficie (m³/ha).

Cabe reseñar que el factor de densidad no representa ninguna característica física de la parcela, sino la relación entre el volumen que detecta PhotoScan y los kilogramos medidos en cada punto mediante los muestreos realizados en campo. PhotoScan calcula un volumen mayor si la capa vegetal es densa y tupida y menor en caso contrario. Este factor nos permite corregir estas variaciones y calcular de forma objetiva la biomasa en el resto de la parcela.

3.5. Cálculo de biomasa por unidad de superficie y biomasa total (biomasa aérea)

El primer paso es definir el factor de densidad de cada parcela como la media de los factores de densidad de los puntos de muestreo. Con el valor obtenido y aplicando la siguiente fórmula, se obtiene el valor de biomasa por unidad de superficie:

Donde:

• B: biomasa por unidad de superficie (kg/ha),

• Fd: factor de densidad de la parcela (kg/m³) y

• V: Volumen por unidad de superficie (m³/ha).

• BT: biomasa total de la parcela (kg),

• B: biomasa por unidad de superficie (kg/ha) y

• S: Superficie real de la parcela (ha).

4. Resultados

4.1. Datos de campo

En San Mateo de Gállego, se han tomado 10 PC distribuidos por toda la parcela. Para la toma de fotografías con el Skywalker, se realizó un único vuelo en el que se tomaron 149 imágenes de la zona de trabajo a una altura sobre el terreno de 214 metros. El tamaño medio del píxel sobre el terreno es de 5 cm/píxel.

En Ayoó de Vidriales se han tomado 11 PC distribuidos por toda la parcela. Para la toma de fotografías con el E-Bee se realizó un único vuelo en el que se tomaron 427 imágenes de la zona de trabajo a una altura sobre el terreno de 84,7 metros. A menor altura sobre el terreno, mayor resolución. El tamaño medio del píxel sobre el terreno es de 2,15 cm/píxel.

En Soto de Cerrato se han empleado 5 PC distribuidos uniformemente por toda la parcela. Para la toma de fotografías con el Mikrokopter se realizó un único vuelo en el que se tomaron 136 imágenes de la zona de trabajo a una altura sobre el terreno de 77,4 metros. En este caso, por volar a una baja altura y portar una cámara de excelente resolución, se pudo alcanzar un tamaño medio del píxel sobre el terreno de 1,9 cm/píxel.

4.2. Datos de gabinete

5. Conclusiones

El estudio ha permitido determinar la biomasa de las tres parcelas sembradas mediante el uso de la metodología propuesta, obteniendo resultados que guardan una gran coherencia con lo observado en campo. Esto indica que los protocolos de recolección de datos de campo y planificación de vuelos, así como la metodología de post-proceso han sido fiables y consistentes.

En el mismo sentido, la toma de datos de alta precisión utilizada en la metodología ha permitido obtener resultados de calidad del parámetro biomasa, tanto en producción de grano como de biomasa total. No obstante, se ha visto necesario adoptar precauciones durante todo el proceso como, por ejemplo, que la toma de los PC y los puntos de muestreo de biomasa en campo se haga con apoyo de GPS de alta precisión (con errores por debajo de los 3 cm), o que los vuelos se planifiquen correctamente manteniendo un área de seguridad para evitar los problemas de pérdida de información en los bordes de la parcela.

La utilización de multirrotores de escasa autonomía de vuelo (como en el caso de la parcela de Soto de Cerrato), obliga a la creación de subparcelas de muestreo en parcelas de gran tamaño. Esto implica la introducción de un error por extrapolación de los resultados parciales a toda la superficie y una pérdida de objetividad en el cálculo de la biomasa total. Sin embargo, gracias a la utilización de RPAs de ala fija en las parcelas de mayor tamaño (San Mateo de Gállego y Ayoó de Vidriales) se ha logrado medir toda la superficie en un único vuelo reduciendo los costes en el trabajo de campo (tiempo de vuelo) y de gabinete (aunque es mayor el volumen de fotografías, únicamente se genera un modelo 3D). El mayor problema que pueden presentar los RPAs de ala fija es la menor nitidez de las imágenes debido a la menor estabilidad de este tipo de aeronaves y a la mayor velocidad que alcanzan frente a las de ala rotatoria. No obstante, se ha comprobado que las imágenes tomadas con el E-Bee son de mayor calidad que las del Skywalker. Esto puede deberse a la mayor la calidad de su sensor y a la menor altura de vuelo.

Por otra parte, al haberse empleado tres plataformas de vuelo distintas con cámaras de diferentes características, podría ser interesante analizar, en estudios futuros, cómo afecta el binomio cámara/RPA a la calidad de los resultados. Para ello, sería necesario realizar varias repeticiones de los vuelos (entre 5 y 10) con cada dron y tomar un mayor número de muestras de biomasa en campo (unas 20-30 con su correspondiente ubicación GPS de precisión centimétrica).

En resumen, el empleo de RPAs junto con la fotogrametría digital automatizada en este proyecto, han permitido estimar la cantidad de biomasa existente en la totalidad de la superficie de las parcelas estudiadas, a partir de la información obtenida de los sensores ópticos aeroportados mediante drones. De este modo, se reducen los errores por interpolación de datos muestrales o por poca representatividad de los mismos. Además, se reducen significativamente los esfuerzos de tiempo, trabajo sobre el terreno y costes a largo plazo. Por lo tanto, estas tecnologías constituyen un método apto para la determinación de biomasa aérea de cultivos y, por lo tanto, de la cantidad de carbono retenido en los mismos.

Agradecimientos. Los autores agradecen al proyecto europeo del Programa LIFE+ “Operación CO2”, así como a los Ayuntamientos de San Mateo de Gállego (Zaragoza) y Ayoó de Vidriales (Zamora) y al personal de mantenimiento de los campos experimentales de la UVa en Soto de Cerrato (Palencia).

5. Referencias bibliográficas