Introducción

El grupo de Sistemas Aéreos no tripulados de la PUCP recibió el requerimiento de investigadores de la Universidad Nacional de Antonio Abad del Cusco y la Universidad de Zurich, quienes estudian el balance de masa en los glaciares de la Cordillera Vilcanota. Dichos estudios son relevantes debido a que el río Vilcanota-Urubamba tiene su origen en la Cordillera Vilcanota y contribuye recursos hídricos a la región [1]. Los estudios indican una pérdida de volumen de hielo que se debe al cambio climático. Por ello es necesario recurrir a tecnologías que puedan contribuir a llevar a cabo dichas mediciones empleando teledetección desde sistemas aéreos no tripulados. En este artículo se describe un experimento preliminar que sirve para demostrar la factibilidad de uso de sistemas aéreos no tripulados como dispositivo de teledetección para la tarea encomendada.

Los glaciares en el Perú

Un glaciar constituye una masa muy grande de hielo originado por la acumulación de precipitaciones de nieve, su importancia radica en que son fuentes de agua para las regiones cercanas. En el caso del Perú los glaciares se encuentran principalmente en altitudes muy elevadas entre 4000 y 6000 msnm, y corresponden al tipo de glaciares tropicales por su ubicación geográfica en el planeta. Es sabido que los glaciares vienen disminuyendo en el mundo debido al cambio climático. Por lo tanto son objeto de estudios por parte de investigadores que requieren realizar un monitoreo para determinar el volumen de hielo de manera frecuente para determinar el retroceso del volumen de masa de hielo. En el caso específico de la presente publicación se refieren a los glaciares de la cordillera de Vilcanota ubicada en la región de Cusco como se muestra en la Figura 1. El río Vilcanota-Urubamba tiene su origen en la Cordillera Vilcanota y contribuye de forma importante a los recursos hídricos regionales. El recurso hídrico que nace en la Cordillera de Vilcanota provee de agua al gran valle del río Vilcanota, este valle es importante puesto que concentra el 75% de la población del Departamento del Cusco. Estudiar el balance de masa glaciar ayuda a entender cómo cambian los glaciares, es decir, cuantificar la pérdida de volumen anual (que ahora contribuyen al caudal aumentando el volumen anual) y también en qué momento desaparecen. Conociendo el comportamiento de los glaciares, se puede manejar mejor el agua disponible en la temporada seca a largo plazo^[1].

Figura 1

Tecnologías de monitoreo

Para estudiar el comportamiento de los glaciares se deben realizar mediciones periódicas del balance de masa, la longitud del frente y la línea de equilibrio glaciar. Las recomendaciones de organismos internacionales, como el Servicio Mundial de Monitoreo de Glaciares (WGMS), en cuanto al monitoreo del balance de masa glaciar son de combinar métodos de medición glaciologicos (directos) con métodos geodésicos (indirectos). El método glaciológico se realiza directamente en el glaciar mediante la instalación de una red de balizas en la zona de ablación y una red de pozos en la zona de acumulación; para lo cual es necesario tener en cuenta importantes cuestiones de seguridad y no siempre es posible realizar por la existencia de peligros como grietas, zonas de difícil acceso, posibilidad de avalanchas etc. La ventaja de utilizar este método directo es que se pueden entender los procesos que intervienen en la acumulación y la ablación y por lo tanto tener una mayor comprensión de la dinámica del balance de masa en un glaciar concreto; y otra ventaja es la alta resolución temporal ya que, si es necesario, se puede ir al glaciar cada mes para medir. Pero por el método directo no se obtiene el balance de masa de todo el glaciar, sino que se obtiene el balance de masa puntual que se extrapola a todo el glaciar. El principio del método geodésico es el mapeo repetido del glaciar para finalmente hacer la diferenciación de los modelos digitales de elevación (MDE) de diferentes fechas y obtener la pérdida de altitud la cual se traduce en el cambio de masa entre dos fechas. La ventaja del método geodésico es que se puede obtener el balance de masa de todo el glaciar, y se puede calibrar el método glaciológico directo. La obtención de MDEs para efectuar este método geodésico de cálculo de balance de masa se puede realizar mediante aeronaves tripuladas equipados con sistemas LIDAR y satélites, pero puede ser muy costoso. Es por ello que se plantea usar aeronaves no tripuladas (UAV) como plataforma para realizar el método de balance de masa geodésico, con el fin de poder obtener MDEs periódicamente para calcular el balance de masa de los glaciares peruanos. La utilización de UAVs para mediciones glaciares es pionera en el mundo. En el Perú, los glaciares típicamente se encuentran a más de 5000 msnm. Lo cual supone un reto adicional ya que los drones comerciales sobrevuelan a una altitud máxima alrededor de 3000 msnm. Es así que el grupo de investigación de Sistemas Aéreos no Tripulados ha sido convocado por los especialistas de la Universidad de San Antonio Abad del Cusco y de la Universidad de Zurich para asumir este reto.

Sistemas Aéreos no tripulados para el monitoreo de Glaciares

El grupo de Sistemas Aéreos no Tripulados inició sus actividades de investigación en el tema de glaciares gracias al profesor Fabian Drenkhan de la especialidad de Geografía de la PUCP. Fabian trabaja en el Proyecto Glaciares^[2] que trata, entre otros temas, la Gestión del Riesgo de Desastres y el derretimiento glaciar en áreas de la Cordillera Blanca y de la Cordillera Vilcanota. El grupo de Investigación de Sistemas Aéreos no Tripulados (GISANT) de la PUCP ha asumido este reto y como primera actividad se realizó una visita al glaciar Suyuparina ubicada a 5000 msnm en la Región de Cusco. Como parte de un trabajo de campo se estableció el objetivo de realizar experimentos con una aeronave no tripulada desarrollada en la PUCP para alturas elevadas. Se trata de Qaira, un hexacóptero desarrollado por el Grupo de Investigación de Innovación Tecnológica a cargo del profesor Francisco Cuellar y Mónica Abarca con el apoyo del Ingeniero Aeronáutico Carlos Saito del GISANT. Qaira fue diseñado para realizar vuelos a mas de 3000 msnm, para lo cual sus partes fueron seleccionadas especialmente para dicho fin. Detalles como la potencia de los motores, el perfil de las hélices y baterías especiales fueron considerados para lograr el objetivo de realizar un vuelo en condiciones de alta montaña de los Andes peruanos. El objetivo para dicha aeronave es poder medir niveles de contaminación del aire en minas para lo cual dispone de sensores de gases y partículas. Debido a que este sistema se encontraba en una etapa de pruebas se consideró para realizar experimentos preliminares de vuelo sobre el glaciar Suyuparina que se encuentra a una altitud de 5100 msnm. Qaira fue acondicionado para transportar una cámara para realizar un experimento de fotogrametría.

El trabajo de Campo

Desde el mes de mayo del año 2015 estuvimos en coordinación con la Universidad de San Antonio Abad del Cusco y la Universidad de Zurich en ver la forma como la PUCP podría colaborar en el monitoreo de glaciares requerido. Todos estábamos de acuerdo en que era necesario que miembros del GISANT tuvieran un primer contacto real con algún glaciar en Cusco. Tal es así que se escogió al Glaciar Suyuparina para esta tarea y nos pusimos de acuerdo en que octubre sería la fecha más adecuada. Se recurrió a un fondo concursable propiciado por la Red Peruana de Universidades que busca la interacción entre universidades de nuestro país. Se presentó la propuesta y logramos obtener el fondo para realizar el trabajo de campo. El equipo que realizó el viaje hacia Cusco estuvo integrado por Mónica Abarca Ingeniera Mecatrónica, investigadora del Grupo de Investigación de Innovación Tecnológica, Carlos Saito Ingeniero Aeronáutico, docente investigador del Grupo de Investigación de Sistemas Aéreos no Tripulados (GISANT), Jorge Barba Ingeniero Electrónico investigador del GISANT, Juan Diego Rodríguez alumno de Ingeniería Electrónica tesista del GISANT y Andrés Flores Ingeniero Electrónica, docente investigador del GISANT. El equipo se dirigió hacia la ciudad del Cusco en octubre del 2015 y sus primeras actividades estuvieron centradas en la coordinación con docentes de la Universidad de San Antonio Abad del Cusco quienes nos recibieron muy bien y fueron atentos en todo momento con nuestras necesidades. El profesor Alex Quispe nos permitió el uso de su laboratorio como base de operaciones para el armado y puesta a punto de Qaira. Luego de un proceso de aclimatación y de coordinación con la UNSAAC nos dirigimos hacia el poblado de Phinaya ubicado a unas seis horas de viaje desde la ciudad del Cusco en dirección sur este. Una carretera que tiene como destino a Puno, pero que unos cuantos kilómetros antes de llegar a Sicuani, nos desviamos para llegar a los nevados de la Cordillera Vilcanota. Nuestro destino Phinaya (Figura 2) en el distrito de Pitumarca, provincia de Canchis tiene una población de 1060 habitantes y está a una altitud de 4950 msnm.

Figura 2 Centro Poblado de Phinaya^[3]

Al día siguiente nos dirigimos hacia la zona donde está ubicado el glaciar Suyuparina. Luego de una hora de viaje por una carretera afirmada llegamos a una zona aproximadamente unos 200 metros de la carretera al glaciar. Ver un paisaje así fue muy emocionante, la montaña se transformaba a un color blanco, que al acercarnos pudimos verificar que estaba compuesta de hielo (Figura 3). Hielo que se derretía formando un pequeño riachuelo que descendía hacia el valle (Figura 4). Más abajo dichas aguas confluyen en el río Vilcanota y el río Urubamba.

Figura 3. Glaciar Suyuparina visto desde el sur.

Figura 4

El GPS del teléfono celular sirvió para verificar la ubicación y altitud 5100 msnm.

Figura 5.

Experimentos sobre Suyuparina

Una vez ubicado el lugar de despegue a unos poco metros del glaciar el equipo dispuso el armado y configuración de Qaira. Luego de unos minutos el sistema estaba listo para su primer vuelo (Figura 6). Para este experimento Qaira tuvo como carga útil una cámara para la obtención de un modelo fotogramétrico del glaciar. La cámara usada es parte de un sistema basado en la pequeña computadora Raspberry Pi Modelo B+^[4] que se muestra en la Figura 7. Dicha computadora tiene un procesador BCM2835 Broadcom, 512Mb of RAM, y una cámara de 5 Megapíxeles. Es del tamaño de una tarjeta de crédito y de bajo costo y usa como sistema operativo a Raspbian^[5] basado en Linux. Soporta una cámara de 5 Megapixeles mediante la interfaz Camera Serial Interface (CSI)^[6]. EL módulo de la cámara es de tamaño muy reducido alrededor de 25mm x 20mm x 9mm y de peso 3g. Tiene la capacidad de tomar imágenes fijas de 2592 x 1944 píxeles, y soporta video de 1080p30, 720p60 y 640x480p60/90. Está basado en el sensor de imagen OV5647 CMOS, 3.6mm de longitud focal and enfoque fijado desde 1m al infinito. El sistema de adquisición de imagen pesa alrededor de 100 gramos y su consumo de potencia es de menos de 2 Watts.

Figura 6. SANT Qaira al borde del glaciar listo para volar.

El sistema de la cámara fue programado empleando las herramientas de software proporcionadas por el fabricante. Mediante comandos Raspicam^[7] la cámara tiene la capacidad de adquirir imágenes de manera automática a intervalos de tiempo programado. Dicho sistema fue colocado por debajo de Qaira con el fin de obtener imágenes verticales al sobrevolar el glaciar. La aeronave sobrevoló en modo manual por el Ingeniero Aeronáutico Carlos Saito sobre el glaciar durante unos 5 minutos (Figura 8) y pudo tomar unas 64 imágenes. Por precaución se realizó el vuelo sobre la periferia del glaciar, no teníamos equipo especializado para caminar sobre el glaciar en caso de que tener que recuperar la aeronave en una situación no deseada.

Figura 7 Sistema Raspberry PI para la adquisición de imágenes.^[8]

Figura 8. Qaira sobrevolando el glaciar.

Figura 9. Imágenes del glaciar tomadas con la cámara Raspicam

 

En la Figura 9 se muestran dos imágenes tomadas con la cámara sobrevolando el glaciar. Las imágenes fueron luego procesadas mediante el software Photoscan^[9] de Agisoft para la generación de un modelo 3D de la periferia sur del glaciar Suyuparina tal como se muestra en la Figura 10. El ortomosaico generado se muestra en la Figura 11 nos proporciona una vista de la zona sobrevolada por la aeronave.

Figura 10. Imágenes procesadas en el software Photoscan

Figura 11. Ortomosaico de la periferia sur del glaciar

 

El software permitió generar el modelo 3D que sirve como un modelo fotogramétrico preliminar de dicha zona como se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Modelo 3D preliminar de la periferia sur del glaciar Suyuparina

Conclusión

Este experimento preliminar ha servido para comprobar la factibilidad de realizar este tipo de trabajo en condiciones extremas de alta montaña a mas de 5100 msnm. Se tuvieron diversas consideraciones tanto en el diseño como en su construcción para que la aeronave pudiera sobrevolar en dichas condiciones. El experimento fue exitoso y se pudieron recabar imágenes para la generación de un modelo 3D. Hace falta realizar mayores experimentos para obtener una mayor cantidad de imágenes y configurar un sistema preciso de georeferenciación. Se prevé en siguientes experimentos la obtención de esta información para la generación de un modelo de elevación digital (DEM) con el que se pueda tener un registro real y preciso del retroceso glaciar. De esta manera este sistema puede convertirse en una herramienta útil para el estudio de glaciares de alta montaña y contribuir hacia la generación de información que permita la adaptación frente al cambio climático.

^[1] Porcel, Edwin Molina. “Iniciación de un monitoreo del balance de masa en el glaciar Suyuparina, Cordillera Vilcanota, Perú.” CAMBIO CLIMATICO EN LOS ANDES TROPICALES 2.1 (2014).

^[2] “Boletín N° 03 – Proyecto Glaciares | Wix.com.” 2013. 17 Feb. 2016 <http://proyectoglaciares.wix.com/boletinproyectoglaciares03>

^[3] <http://galeon.hispavista.com/samcochama/img/PHINAYA.jpg>

^[4] “Raspberry Pi 1 Model B.” 2015. 5 Mar. 2016 <https://www.raspberrypi.org/products/model-b/>

^[5] “Raspbian: FrontPage.” 2012. 5 Mar. 2016 <https://www.raspbian.org/>

^[6] “Camera Interface Specifications | MIPI Alliance.” 2011. 5 Mar. 2016 <http://mipi.org/specifications/camera-interface>

^[7] “raspicam commands – Raspberry Pi Documentation.” 2015. 13 Mar. 2016 <https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/camera/raspicam/README.md>

^[8] <http://www.adafruit.com/images/480×360/1998-03.jpg>

^[9] “Agisoft PhotoScan.” 13 Mar. 2016 <http://www.agisoft.com/>