José Daniel Lencinas, Ezequiel Parodi, Brigitte Van den Heede, Luciana Heitzmann
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DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN DE UN
VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO APLICADO
A LOS INCENDIOS FORESTALES
DEVELOPMENT AND CONSTRUCTION OF AN UNMANNED
AERIAL VEHICLE FOR WILDFIRE MANAGEMENT
José Daniel Lencinas
1
Ezequiel Parodi
2
Brigitte Van den Heede
3
Luciana Heitzmann
4
1. Dr. en Ciencias Forestales, especialista en geomática. Director Ejecutivo del CIEFAP (Centro
de Investigación y Extensión Forestal Andino Patagónico), Sede Esquel, Provincia del Chubut,
(Argentina). E-mail: jdlencinas@ciefap.org.ar
2. Lic.marketing. Gerente de Life Style Media, Trevelin, Provincia del Chubut, (Argentina). E-mail:
queque.parodi@gmail.com
3. M.Sc. Gestión y Auditorías Ambientales. Coordinadora, Proyecto Estratégico del CIEFAP:
“Desarrollo e Innovación tecnológica para el monitoreo de catástrofes” -P7.A2.003-.CIEFAP
(Centro de Investigación y Extensión Forestal Andino Patagónico), Sede Esquel, Provincia del
Chubut, (Argentina). E-mail: bvandenheede@ciefap.org.ar
4. Lic. Biología. Tecnóloga contratada por CIEFAP (Centro de Investigación y Extensión Forestal
Andino Patagónico), Sede Esquel, Provincia del Chubut, (Argentina). E-mail:
heitzmann.luciana@gmail.com
Citación sugerida:
Lencinas, J.D., Parodi, E., Van den Heede, B. y Heitzmann, L. (2016). Desarrollo y construcción de un vehículo
aéreo no tripulado aplicado a los incendios forestales. 3C Tecnología: glosas de innovación aplicadas a la pyme,
5(4), 27-35. DOI: <http://dx.doi.org/10.17993/3ctecno.2016.v5n4e20.27-35/>.
Recepción: 18 de octubre de 2016
Aceptación: 05 de diciembre de 2016
Publicación: 14 de diciembre de 2016
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LICADO A LOS INCENDIOS
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RESUMEN
Los incendios forestales en Patagonia son el factor principal de pérdida de superficies boscosas. Es
fundamental optimizar y mejorar el actual sistema de manejo del fuego desde su prevención, sistemas
de alerta temprana, y el combate propiamente dicho. En este marco, el Centro de Investigación y
Extensión Forestal Andino Patagónico (CIEFAP), en un entorno público privado, desarrolló un vehículo
aéreo no tripulado, denominado Fénix 3d, como herramienta complementaria dentro del sistema de
manejo del fuego.
ABSTRACT
Forest fires in Patagonia are the main factor of loss of forest areas. It is essential to optimize and
improve the current system of fire management from prevention, early warning systems, combat
itself. In this framework the Patagonian Andes Research and Extension Center (CIEFAP), in a private
and public environment, developed an unmanned aerial vehicle, called Fénix 3d, as complementary
tool within a fire management system.
PALABRAS CLAVE
Fénix 3d, VANT, Incendios Forestales, Cuadricóptero, Patagonia.
KEY WORDS
Fénix 3d, UAV, Wildfires, Quadcopter, Patagonia.
José Daniel Lencinas, Ezequiel Parodi, Brigitte Van den Heede, Luciana Heitzmann
DESARROLLO Y CONSTRUCCIÓN D
E UN VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO APLICADO A LOS INCENDIOS
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1. INTRODUCCIÓN
Se estima que los incendios forestales globales consumen 9.000 millones de toneladas de biomasa
vegetal y que son responsables del 30% de las emisiones de dióxido de carbono (Bowman et al., 2009).
En relación a los bosques templados fríos de Patagonia, los incendios forestales son el factor principal
de pérdida y degradación de superficies boscosas. Todos los años en la época estival se incrementa el
número de focos de incendios. Como valor referencial en cuanto a las frecuencias, en el año 2014 se
registraron en la región patagónica 1.092 focos de incendios, la mayoría producidos por causas
antrópicas (MAyDS, 2016). El promedio anual de bosques nativos afectados por fuego en Patagonia
en el período 2001-2012, fue de 3.500 ha. Sin embargo, considerando las dos últimas temporadas de
verano 2013/2014 y 2014/2015 los incendios afectaron 47.378 ha, de las cuales el 60% corresponde
a áreas de bosque alto (MohrBell, 2015). En la temporada estival 2015/2016 se incendiaron más de
20.000 ha. Los incendios en áreas de interfase, bosque-población, no solo afectan bosques, sino
también infraestructura, viviendas y ponen en riesgo vidas humanas. Se estima que para el combate
de un incendio forestal de gran magnitud (>500 ha) en la interfase en Patagonia, el estado eroga más
de USD 100.000 al día, considerando la utilización de medios terrestres y aéreos tales como aviones
hidrantes y helicópteros con helibaldes. Este valor es de referencia ya que depende de la accesibilidad,
cantidad de viviendas e infraestructura a proteger. Estos montos son comparables a los incendios
forestales en países como Italia y España (Ortuño Pérez y Sigfredo, 2007).
2. TECCNOLOGÍAS APLICADAS EN LAS DIFERENTES FASES DE
LOS INCENDIOS FORESTALES
El tipo de tecnologías utilizadas se puede diferenciar de acuerdo a las tres fases de gestión de los
incendios forestales:
a- Antes del incendio, (sistema de pronóstico del grado de peligro de ocurrencia, sistemas de
detección de incendios forestales, i.e monitoreo preventivo).
b- Durante el incendio (detección de focos activos, acciones de extinción o supresión,
planificación de evacuación y de rescate).
c- Posterior al incendio (evaluación de daños y procesos de restauración ecológica post-fuego).
En relación a la primera fase, existen diferentes tecnologías, las más utilizadas son las terrenas, así
como los relevamientos aéreos y satelital. Los dispositivos terrestres que están cobrando relevancia
se conforman de un sistema de torres con cámaras térmicas y ópticas formando una red fija de
vigilancia que transmite en tiempo real imágenes a un centro de control. Las torres se emplazan en
puntos estratégicos de la topografía, y se dotan de cámaras duales (visión térmica y visión óptica).
Realizan el monitoreo perimetral a 360º, en forma continua, con una visión de hasta 20 km a la
redonda cada una.
Respecto a la tecnología satelital, en las últimas décadas se han desarrollado nuevas aplicaciones a
nivel operativo para las tres fases mencionadas. El rango de sensores y de técnicas empleados es muy
amplio, y se basan en la medición de la energía liberada por los incendios. Se debe considerar que
durante grandes incendios forestales se registran temperaturas extremas entre 600-1000 ºC en la
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parte superior del dosel. Sun (2007), determinó dos picos de emisión en la banda del infrarrojo medio,
uno de ellos a 4,17 μm que refleja el máximo de emisión de CO y el otro se extiende a través de las
longitudes de onda de 4,34 μm a 4,76 μm. Sobre esta base de información, las plataformas satelitales
que se utilizan para la detección de puntos calientes, por lo general, detectan la energía liberada en
el infrarrojo medio (MIR: 3-5 µm), infrarrojo térmico (TIR; 8-14 µm) que provee la temperatura del
suelo, e infrarrojo cercano (SWIR:1.0-2.5 µm). Además, los algoritmos desarrollados se complementan
con la información de bandas correspondientes al sector visible. A nivel global, el satélite MODIS
(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) es sin dudas el sensor más utilizado para la
detección de puntos calientes (Giglio et al., 2016). Sin embargo, tanto las plataformas satelitales con
alta resolución temporal como MODIS, así como otras plataformas geoestacionarias o de satélites de
baja órbita presentan serias limitaciones especialmente por su moderada resolución espacial para
detectar el inicio de focos de incendios (Alkhatib, 2014). Es por ello que una de las líneas de desarrollo
europeas está enfocada al diseño y construcción de microsatélites como el Fire Monitoring
Constellation (FMC) con cámaras ópticas y térmicas de mayor resolución espacial. Es el caso del micro
satélite TET-1 (Technologie Erprobungs Träger-1) y el reciente lanzamiento del BIROS (Berlin Infrared
Optical System) para que actúe en tándem con el TET-1 (http://www.dlr.de/).
Finalmente, la detección por medios aéreos, tiene dos vertientes tecnológicas, la tradicional tripulada,
mediante la operación de aviones y helicópteros, y la tecnología de vehículos aéreos no tripulados
(Merino et al. 2012).
La detección temprana de focos de incendios es sin duda a nivel global la variable más importante
para reducir costos y evitar pérdidas. Esto implica sistemas de resolución temporal y espacial con
eficientes sistemas de comunicación, combinación de cámaras ópticas y térmicas para capturar
imágenes y detectar puntos calientes independientemente de la cobertura del dosel y de las
condiciones de luminosidad natural. En este contexto, una línea de vanguardia en innovación
tecnológica se basa en la construcción de vehículos aéreos no tripulados (VANT o UAV del término en
inglés Unmanned Aerial Vehicle) denominados comúnmente drones, como complemento tecnológico
a sensores terrestres o de plataformas aerotransportadas (aviones, helicópteros) y satelitales. Para su
efectividad, tal tecnología debería tener fácil adopción por el usuario y adaptación al terreno en el
cual ocurren los eventos: estar asociada directamente a los sistemas organizacionales que intervienen
en las catástrofes (Van den Heede, 2015).
Bajo esta premisa y con el fin de desarrollar tecnologías para las dos primeras fases de incendios en
bosques de montaña se desarrolló el VANT Fénix 3d, cuyas características y desempeño se describen
a continuación.
3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL CUADRICÓPTERO
El vehículo aéreo no tripulado (VANT) denominado Fénix 3d es un cuadricóptero desarrollado en un
entorno público-privado (CIEFAP -Life style media) especialmente para actuar en eventos de riesgo
tales como incendios o erupciones volcánicas. El Fénix 3d está desarrollado en base a tecnología
multirotor y parte de sus componentes se diseñaron y construyeron con impresora 3D (Gráfico 1).
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Gráfico 1: Imagen real del cuadricóptero Fénix 3d.
Fuente: elaboración propia.
El vehículo está controlado remotamente mediante un radio control. Posee un chasis ultraligero de
fibra de carbono y su diseño plegable es importante para su transportabilidad, considerando que los
incendios forestales en la cordillera de los Andes. Generalmente, se presentan en áreas de baja
accesibilidad por su topografía escarpada y baja densidad de red de caminos.
A- Componentes
Una de las variables críticas de los VANTs es su autonomía de vuelo. Con el fin incrementarla, en el
Fénix 3D se realizaron desarrollos de integración y optimización de componentes para minimizar su
peso. A continuación se presentan en la Tabla 1 las características principales del cuadricóptero
construido.
Tabla 1. Características principales del cuadricóptero Fénix 3d.
Chasis/Tamaño diagonal
Peso total del VANT/ Rotores
Cubierta
Landing
Sistema de navegación
Batería
Controlador / Radio control
Frecuencia de Operación
Fuente: elaboración propia.
El multi-rotor transporta una cámara térmica y una cámara óptica integradas. La cámara térmica es
sensible al infrarrojo térmico de onda larga (Longwave Infrared LWIR) de FLIR Lepton® (Tabla 2).
Detecta energía en una banda y su resolución espectral se encuentra en el rango de 8 μm a 14 μm. El
tipo de lente es f/1.1 silicon doublet.
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Tabla 2: Especificaciones principales de la cámara LWIR integrada al Fenix 3D.
Resolución 80 × 60 pixeles
Tamaño de pixel 17 μm
Sensibilidad térmica <50 mK (0.050° C)
FOV – horizontal 51°
FOV – diagonal 63,5°
Formato de salida 14-bit, 8-bit (AGC aplicada), o 24-bit RGB (AGC y coloración
aplicada)
Disipación térmica Nominal 150 mW a temperatura ambiente (operativa)
Tamaño físico 8.5 × 8.5 × 5.6 mm (w × l × h)
Peso 0.55 gramos (typ)
Desempeño optimo -10 °C to +65 °C
Fuente: elaboración propia.
La cámara óptica se trata de una cámara GoPro, lente óptico F2.8 – 6 elementos, lente ultra gran
angular, con una resolución de 640x490/720x1280 / 1920x108 para modos gran angular/medio/
estrecho respectivamente, y un formato de salida MP4.
La cámara GoPro se alimenta de la batería Li-Po del propio VANT. Los videos se transmiten en tiempo
real a una estación en tierra y se pueden grabar en la tarjeta micro SD de la GoPro. Las imágenes de
la cámara térmica también se trasmiten en tiempo real. Se puede conmutar de óptica a térmica y
térmica a óptica.
B- Fase de Pruebas
Desde su concepción, en la ingeniería de detalle, y análisis de calidad, se tuvieron en cuenta las
necesidades de los usuarios. Una vez construido el Fénix 3d fue sometido a diferentes pruebas en
cinco niveles:
Nivel 1: Pruebas de laboratorio
Nivel 2: Pruebas de vuelo en ambientes controlados
Nivel 3: Pruebas de resistencia ante impactos
Nivel 4: Pruebas en ambientes no controlados
Nivel 5: Pruebas en Incendios Forestales
La información de la Tabla 3 surge luego de haber superado las cinco fases de prueba. En la fase cinco,
el VANT Fénix 3d fue utilizado en un gran incendio forestal ocurrido en el Parque Nacional Los Alerces
en la Provincia del Chubut, localizado en la Patagonia Argentina. El incendio se inició el 21 de enero y
afectó aproximadamente 1.700ha. En la Tabla 3 se presentan valores de referencia, los cuales fueron
determinados en todas las fases de control de calidad y en el evento extremo, con vientos intensos
con ráfagas de hasta 60km/h.
Tabla 3: Características del Fénix 3d en vuelo.
Fénix 3d
Performance
Precisión de vuelo estacionario
Vertical: 0,5m/ Horizontal: 2,5m
Velocidad angular máxima
Máximo ángulo de ataque
Máxima velocidad de ascenso
10m/s
35°
10m/s
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Máxima velocidad de descenso
Máxima altura permitida
Máxima velocidad
Resistencia al viento
Tiempo máximo de vuelo
Temperatura operativa
Distancia operativa (alcance radio control )
Distancia de cobertura de video en tiempo real
4m/s
1200 m s/ punto de despegue
18 m/s (modo ATTI, sin viento)
45 km/h hasta 60 km/h
42min
14° a 104° F (-10° to 40° C)
25km
5km-7km
Fuente: elaboración propia.
C- Modos de vuelo
Las aplicaciones reales del Fénix 3d para tareas relacionadas a la prevención, manejo y monitoreo de
los incendios fueron las siguientes:
Vuelo modo torre: El operador eleva el VANT en dirección vertical a una altura 200 m y gira 360°.
Este modo emula a los observadores de una torre terrestre de control. En 200 m sobre el suelo, se
determinaron los siguientes parámetros, que pueden ser tomados como referencia para la cámara
óptica en tres configuraciones del lente, ya que se debe considerar las fuertes distorsiones
geométricas que ésta produce.
Gran angular (14 mm FOV): 45km de radio de visión panorámica, Dependiendo de la topografía,
hasta un radio de 1,5 km, la resolución espacial relativa es mayor a 2m.
Medio (21 mm FOV): 22km de radio de visión panorámica, dependiendo de la topografía, hasta
un radio de 1,25km, la resolución espacial relativa es mayor a 3m.
Estrecho (28 mm FOV): 600m de radio de visión panorámica, dependiendo de la topografía, en
toda la superficie capturada, la resolución espacial relativa es mayor a 1m (i.e. submétrica).
Vuelo detección de puntos calientes: En este modo se utiliza la cámara óptica y se alterna con la
visualización de las imágenes capturadas con la cámara térmica, con el fin de detectar puntos
calientes. Los datos capturados por el sensor térmico de la cámara, no son afectados por el humo o
por la estructura del dosel.
Vuelo modo reconocimiento: El operador programa o pilotea el VANT por las zonas de interés. Por
ejemplo, el Fénix 3d se utilizó para la determinación de todo el perímetro del incendio, con el fin de
tomar medidas de control terrestre, orientadas a resguardar el avance del incendio o detectar nuevos
focos. Además es importante para estimar la cantidad de recursos terrestres que se deben desplegar,
para proteger los sitios más sensibles del perímetro y cuantificar diariamente toda la superficie
afectada por el incendio.
Vuelo modo búsqueda: Este modo se utilizó para la búsqueda de personas que se encuentran en la
zona del incendio, con el fin de tener documentación objetiva para la investigación sobre las posibles
causantes del incendio. Por otro lado, la cámara térmica pudo detectar durante esta prueba, a los
brigadistas debajo del dosel del bosque, con el VANT elevado a una altura de 50 m sobre el dosel.
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4. CONCLUSIONES
El VANT Fénix 3D demostró una alta performance en eventos extremos y se posiciona como un VANT
competitivo a nivel internacional. Las imágenes obtenidas son valiosos aportes para las
investigaciones sobre la predicción de la propagación del fuego. El VANT proporciona una vista
tridimensional, volando relativamente cerca de las columnas de incendios, suministrando información
difícilmente observable con medios terrestres. Pueden complementar los medios aéreos, mediante
vuelos de reconocimiento y observaciones de comportamiento, sin necesidad de destinar horas de
vuelo de helicópteros o aviones hidrantes para esta tarea.
Las ventajas comparativas del Fénix 3d en la etapa de observación del incendio son las siguientes:
o Bajo costo: el valor del Fénix 3d es similar a 23 horas de vuelo de helicóptero.
o Flexibilidad: Fénix 3d puede volar estacionario en las cercanías de un incendio sin que el
operador corra riesgos y transmitir en tiempo real los puntos de interés del operador.
Maniobrar un helicóptero en estas situaciones puede ser de alto riesgo. Además permite el
vuelo nocturno con su cámara térmica mientras las aeronaves tripuladas en Patagonia deben
suspender sus vuelos en los lapsos de oscuridad (humo denso/noche).
o Disponibilidad: en incendios forestales las acciones deben ponerse en marcha en cortos
plazos de tiempo, el despliegue del VANT Fenix 3d como herramienta, es prácticamente
inmediato. Esto permite acceder a información de la situación de la emergencia en pocos
minutos, entre un 1% y un 5% del tiempo que tarda una aeronave tripulada en poder
sobrevolar la zona.
o Sin intrusión: el VANT no tiene efecto sobre el fuego en las acciones de monitoreo, mientras
que un helicóptero puede producir ráfagas descendentes que pueden afectar el
comportamiento de las llamas.
En síntesis, el vehículo aéreo no tripulado Fénix 3d está desarrollado en base a tecnología multirotor
y presenta aspectos innovadores. Es controlado remotamente mediante un radio control. Su chasis
ultraligero de fibra de carbono lo convierte en uno de los más livianos y resistentes del mercado,
considerando su capacidad de carga y estabilidad de vuelo hasta con vientos de 40km/h y soportando
ráfagas de viento de hasta 60km/h. Además, su diseño plegable facilita su transporte. Futuros
desarrollos en cámaras térmicas en cuanto a resolución espacial, espectral y radiométrica, podrían
mejorar las prestaciones del Fénix 3d. Su puesta en funcionamiento en diferentes modos y en plena
coordinación dentro del sistema de manejo del fuego mediante protocolos aprobados, contribuirá a
mejorar la eficiencia de la prevención y supresión de los incendios forestales.
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Sun, J. y Xiong X. (2007). MODIS Polarization Sensitivity Analysis. IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens., vol.
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Van den Heede, B. (2015). Desarrollo e Innovación tecnológica para el monitoreo de catástrofes.
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<http://www.ciefap.org.ar/index.php/component/phocadownload/category/20-programa-7-
investigacion-y-desarrollo-de-caracter-estrategico/>.
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos al Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de la Nación Argentina por
el financiamiento otorgado para la ejecución del Proyecto Estratégico del CIEFAP: “Desarrollo e
Innovación tecnológica para el monitoreo de catástrofes” /P7.A2.003.