Uso y manejo de drones con aplicaciones al sector hídrico

430 Pages·2017·16.64 MB·Spanish

by  Editores: Waldo Ojeda

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Coordinación de Riego y Drenaje
Uso y manejo de drones con
aplicaciones al sector hídrico
Waldo Ojeda Bustamante
Jorge Flores Velázquez

Ronald Ernesto Ontiveros Capurata
IMTA
Coordinación de Riego y Drenaje

Uso y manejo de drones con aplicaciones al sector
hídrico

Waldo Ojeda Bustamante, Jorge Flores Velázquez
y Ronald Ernesto Ontiveros Capurata
Editores

México 2016
338.16 Ojeda Bustamante, Waldo; Flores Velázquez, Jorge; Ontiveros Capurata,
Ronald Ernesto (eds.)
O73 Uso y manejo de drones con aplicaciones al sector hídrico / Waldo Ojeda
Bustamante, Jorge Flores Velázquez, Ronald Ernesto Ontiveros Capurata,
editores. - - Jiutepec, Mor. : Instituto Mexicano de Tecnología del Agua ©
2016.
425 pp.
ISBN 978 -607-9368-79-1
1. Proyectos hidroagrícolas 2. Percepción remota 3. Cartografía
Autores:
Waldo Ojeda Bustamante, Jorge Flores Velázquez, Ronald Ernesto Ontiveros Capurata,
Alberto González Sánchez, Braulio David Robles Rubio, Abraham Rojano Aguilar, Helene
Emmi Karin Unland Weiss, Anastasio Toledo Estrada, Mariana de Jesús Marcial Pablo, Sergio
Iván Jiménez Jiménez, Bruno Lara Guzmán, Jorge Alberto Fuentes Pacheco, Jorge Hermosillo
Valadez, Juan Manuel Rendón Mancha

Responsable de la edición:
Rebeca Gerardo Tavira

Coordinación editorial:
Fátima Sánchez Bonilla

Primera edición: 2016

D.R. © Instituto Mexicano de Tecnología del Agua
Paseo Cuauhnáhuac 8532
62550 Progreso, Jiutepec, Morelos
México
www.gob.mx/imta

ISBN 978 -607-9368-79-1
Prohibida la reproducción parcial o total, por cualquier medio mecánico, electrónico, de
fotocopias, térmico u otros, sin permiso de los autores

Impreso en México – Printed in Mexico
PRÓLOGO

En los años 70 el lanzamiento de satélites civiles marcó el inicio del monitoreo de la
superficie terrestre mediante sensores remotos que capturaban imágenes espectrales,
y fue a partir de entonces que surgieron aplicaciones en diversas áreas, entre ellas, la
ingeniería. Los satélites mostraron ser capaces de adquirir información de grandes
superficies, aunque con limitada resolución espacial para ciertas aplicaciones. Por otra
parte, la periodicidad para la adquisición de imágenes resultó en información temporal,
discontinua para situaciones donde los cambios de interés suceden en periodos cortos.
Restricciones de resolución, disponibilidad, economía y tiempo, fueron el impulso para
buscar alternativas que cumplieran con las exigencias actuales. Es así como, gracias al
desarrollo e innovación continua en electrónica, informática y los sistemas de
navegación y comunicación, surgen los vehículos aéreos no tripulados (VANT),
conocidos también como drones, que plantean alternativas para la adquisición de
información de interés en el sector hídrico que demanda alta precisión en corto tiempo
y a costo competitivo.
Los drones pueden equiparse con pequeños sensores multifuncionales y sistemas de
navegación autónomos para adquirir información que muestra alta variabilidad espacio-
temporal y que son determinantes para la ingeniería y producción agrícola. Los
métodos de análisis, procesamiento y despliegue de información espacial aplicados a
variables de interés generan insumos importantes para la planeación, gestión y
evaluación de las obras de infraestructura civil y sistemas agrícolas.
Las aplicaciones con drones requieren equipos multidisciplinarios durante todo el
proceso que incluye desde el armado del vehículo, planificación y ejecución de la
misión, descarga y procesamiento de imágenes, hasta finalmente generar los
productos cartográficos o extraer la información espacial de interés. El vertiginoso
desarrollo de la tecnología de drones requiere, además, una importante adecuación
institucional, motivada por la naturaleza y la alta especialización de estas nuevas
tecnologías. La formación de recursos humanos, desarrollo de capacidades de trabajo
en equipo y nuevos enfoques para la difusión y capacitación son requisitos
indispensables para lograr que tecnologías innovadoras puedan impactar
efectivamente a gran escala en la ingeniería sobre todo la relacionada al sector hídrico.
En la actualidad existe un amplio acervo documental sobre fotogrametría y cartografía
aplicada usando imágenes de satélite y sensores remotos aerotransportados en
vehículos tripulados; sin embargo, todavía son escasos los textos o libros sobre el uso,
manejo y aplicaciones de drones en ingeniería. Si bien se registra un crecimiento
acelerado del número de publicaciones en literatura especializada, la información está
dispersa en revistas y ponencias de congresos y no integra las bases teóricas que la
sustentan.
La motivación de este libro es ofrecer un compendio de los principios, metodologías y
aplicaciones de los drones con énfasis en ingeniería hidroagrícola. Con este objetivo se
conformó un equipo multinstitucional y multidisciplinario que presentara de manera
concisa y simple los principios físicos asociados a los sensores remotos, además de
describir los componentes y actividades necesarias para realizar misiones que permitan
obtener imágenes y videos de alta resolución.
Este libro constituye un aporte técnico sobre la aplicación sistemática de drones
equipados con sensores remotos en los problemas de la comunidad hidroagrícola, y se
deriva de las actividades que durante los últimos tres años emprendió la Coordinación
de Riego y Drenaje del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Queremos
agradecer a María Fernanda Vargas Rodríguez el apoyo mostrado a lo largo de un año
en el seguimiento de las diferentes versiones del presente libro.

Los editores
Uso y manejo de drones con aplicaciones al sector hídrico

CONTENIDO

CAPÍTULO 1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PERCEPCIÓN REMOTA Y FOTOGRAFÍA
DIGITAL
Jorge Flores Velázquez, Ronald Ernesto Ontiveros Capurata, Braulio David Robles
Rubio y Anastasio Toledo Estrada

CAPÍTULO 2 PRINCIPIOS DE CARTOGRAFÍA, FOTOGRAMETRÍA Y SISTEMAS DE
POSICIONAMIENTO POR SATÉLITE
Ronald Ernesto Ontiveros Capurata, Braulio David Robles Rubio, Jorge Flores
Velázquez y Alberto González Sánchez

CAPÍTULO 3 VEHÍCULOS AÉREOS NO TRIPULADOS (DRONES/VANT)
Waldo Ojeda Bustamante, Alberto González Sánchez, Ronald Ernesto Ontiveros
Capurata, Jorge Flores Velázquez y Abraham Rojano Aguilar

CAPÍTULO 4 OPERACIÓN Y PILOTAJE DE DRONES
Alberto González Sánchez y Jorge Flores Velázquez

CAPÍTULO 5 APLICACIONES A LA INGENIERÍA
Waldo Ojeda Bustamante, Ronald Ernesto Ontiveros Capurata, Jorge Flores
Velázquez, Braulio David Robles Rubio y Sergio Iván Jiménez Jiménez

CAPÍTULO 6 REFERENCIAS

ANEXOS
A GLOSARIO DE TÉRMINOS
Jorge Flores Velázquez, Alberto González Sánchez y Ronald Ernesto Ontiveros
Capurata

B SISTEMAS DE PROPULSIÓN, ENERGÍA, CONTROL Y TELECOMUNICACIÓN
Jorge Alberto Fuentes Pacheco, Jorge Hermosillo Valadez, Bruno Lara Guzmán y Juan
Manuel Rendón Mancha

C SIMULADORES DE VUELO PARA VANTS
Alberto González Sánchez

D ELABORACIÓN DE MISIONES DE VUELO USANDO EL SOFTWARE UGCS
Jorge Flores Velázquez, Sergio Iván Jiménez Jiménez y Mariana de Jesús Marcial
Pablo
E ARMADO DE COMPONENTES
Jorge Flores Velázquez y Alberto González Sánchez

F CONSIDERACIONES SOBRE REGULACIÓN Y SEGURIDAD DE LOS DRONES
PARA LA AGRICULTURA DE PRECISIÓN
Helene Emmi Karin Unland Weiss y Alberto González Sánchez
1
Autores

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA)

Alberto González Sánchez
Anastasio Toledo Estrada
Braulio David Robles Rubio
Helene Emmi Karin Unland Weiss
Jorge Flores Velázquez
Mariana de Jesús Marcial Pablo
Ronald Ernesto Ontiveros Capurata
Sergio Iván Jiménez Jiménez
Waldo Ojeda Bustamante

Universidad Autónoma Chapingo (UACh)

Abraham Rojano Aguilar

Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM)

Bruno Lara Guzmán
Jorge Alberto Fuentes Pacheco
Jorge Hermosillo Valadez
Juan Manuel Rendón Mancha
1 Por orden alfabético

ÍNDICE DE CONTENIDO
Capítulo 1 ............................................................................................................... 3
1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE PERCEPCIÓN REMOTA Y FOTOGRAFÍA DIGITAL
3
1.1 Percepción remota e imágenes multiespectrales ................................................ 3
1.1.1 Introducción ....................................................................................................................... 3
1.1.2 Principios de percepción remota ....................................................................................... 4
1.1.3 El espectro electromagnético ............................................................................................ 7
1.1.4 Interacción de la radiación solar y la superficie terrestre .................................................. 9
1.1.5 Firmas espectrales .......................................................................................................... 10
1.1.5.1 Vegetación ............................................................................................................... 13
1.1.5.2 Suelo ........................................................................................................................ 14
1.1.5.3 Agua ......................................................................................................................... 14
1.1.6 Introducción a los sensores remotos ............................................................................... 15
1.1.6.1 Marco teórico............................................................................................................ 15
1.1.6.2 Principio de funcionamiento de los sensores remotos ............................................ 18
1.1.6.3 Tipos de sensores y cómo clasificarlos ................................................................... 19
1.1.7 Conceptos básicos sobre imágenes espectrales ............................................................ 21
1.1.7.1 Imágenes pancromáticas ......................................................................................... 22
1.1.7.2 Imágenes multiespectrales ...................................................................................... 22
1.1.7.3 Imágenes hiperespectrales ...................................................................................... 22
1.2 Principios de fotografía digital ............................................................................ 23
1.2.1 Introducción ..................................................................................................................... 23
1.2.2 Clasificación de cámaras ................................................................................................. 24
1.2.2.1 Cámaras compactas ................................................................................................ 26
1.2.2.2 Cámaras intermedias ............................................................................................... 26
1.2.2.3 Cámaras réflex ......................................................................................................... 27
1.2.3 Características de las cámaras fotográficas ................................................................... 28
1.2.3.1 Sensor ...................................................................................................................... 28
i. Tamaño del sensor ....................................................................................................... 30
1.2.3.2 Distancia focal .......................................................................................................... 31
1.2.3.3 Objetivo .................................................................................................................... 33
1.2.3.4 Diafragma y obturador ............................................................................................. 34
1.2.4 Fotografía e imágenes digitales ...................................................................................... 35
1.2.4.1 Profundidad de color en archivos digitales de mapa de bits ................................... 37
1.2.4.2 Representación del color en la imagen .................................................................... 37