DronesEl futuro de los UAV en ecología: una perspectiva interna de la industria de drones de Silicon Valley

La industria hoy

En los últimos 2 años, el uso de drones se ha disparado. La FAA informó a principios de febrero de 2016 que el número de drones en el registro nacional ahora supera el número de aviones tradicionales registrados, esto menos de 2 meses después de que se cumpla el mandato de registro de drones. Curiosamente, debido en parte al ritmo deliberado de la agencia en el desarrollo de regulaciones para uso civil y comercial, el mercado de consumo ha impulsado la mayor parte de la innovación, principalmente en avances para casos de uso de aficionados, fotografía y cine. Como resultado, la mayoría de los drones en el mercado hoy en día son “micro-drones” (que pesan menos de 2 kg). Los más populares están equipados con un sistema de cámara estabilizada, ofrecen tiempos de vuelo de ~ 10–30 min, y su precio oscila entre ~ 300 y 5000 USD. Debido a la demanda de los consumidores de fotos y videos aéreos de alta calidad,

La industria de consumo ha producido un hardware impresionante en un tiempo sorprendentemente corto. En el último año, el sector privado ha avanzado mucho en la resolución, el tamaño y el costo de las cámaras RBG (incluido el video 4K); vuelo autónomo y tecnología de control de cámara; geoetiquetado de imágenes para costura fotogramétrica, así como el software de costura en sí; la seguridad e inteligencia de las baterías de polímero de litio (LiPo); la precisión y fiabilidad de la estabilización de vuelo GPS; reparación de hardware sobre la marcha; y, quizás lo más importante para el aumento de la popularidad, la simplificación de la interfaz de usuario frente a los complejos controles remotos de días pasados ​​(es decir, hace un año). De hecho, es probable que esta lista en sí misma necesite actualizarse para el momento de la publicación.

Gracias a estos avances, los usuarios novatos pueden aprender a volar y comenzar a capturar imágenes aéreas cinematográficas en minutos, algo que solía exigir meses o años de práctica. Con el último software de planificación de misiones, los drones pueden despegar automáticamente, capturar imágenes de un área específica especificada en una tableta, luego aterrizar y cargar de forma inalámbrica esos datos en la nube. De hecho, los drones de consumo actuales son tan potentes que muchos modelos son perfectamente adecuados para las necesidades de los científicos, como el mapeo de alta resolución (hasta 1–5 cm / píxel). Por el precio de una computadora portátil de grado medio, puede elegir entre una variedad de vehículos disponibles para estudios aéreos en tiempo real, muchos de ellos a la venta en puntos de venta populares de “caja grande”. Lo más impresionante, y en cierto modo alarmante, es que muchos de estos avances han tenido lugar en los últimos meses (y en algunos casos semanas).

Además de las cámaras RGB, los drones pueden equiparse con una serie de sensores livianos relevantes para la ecología, incluidas las cámaras multiespectrales para estudios de vegetación, cámaras térmicas y LIDAR ( Fig. 1 ). Estos sensores están disponibles actualmente en drones de alta gama y están comenzando a integrarse en drones de clase de consumo. La integración de cargas útiles alternativas aumentará aún más con el auge de la industria de drones comerciales (discutido en las siguientes secciones).

¿Hacia dónde se dirige la industria en relación con la ecología?

La razón principal por la que el mercado de consumo ha impulsado la mayoría de la innovación en los EE. UU. Es porque la FAA ha restringido el uso comercial de los UAV (que se benefician de los servicios de drones). Actualmente, el uso comercial está controlado por un proceso de solicitud que a menudo lleva meses y requiere un mínimo de una licencia de piloto deportivo, que puede costar miles de dólares para adquirir. Sin embargo, se esperan normas comerciales de EE. UU. Para más adelante en 2016, lo que abrirá el mercado comercial. Esta es la única razón por la que los drones no se ven regularmente inspeccionando torres de celulares, monitoreando el clima, transmitiendo noticias de televisión en vivo, fotografiando bienes raíces, mapeando tierras de cultivo o en los bancos de cada laboratorio científico en todo el país. Pero todo esto viene, y pronto.

En términos de hardware, la industria de drones se centrará en los avances generales en tiempo de vuelo y seguridad. La tecnología de batería es un obstáculo importante no solo para los drones sino también para la industria tecnológica en general; Esta demanda incentivará el rápido desarrollo. Veremos sensores más livianos y menos costosos para evitar obstáculos y conocer la escena, incluidos sonar, flujo óptico, visión por computadora y navegación LIDAR. Es probable que la industria también desarrolle sistemas de tráfico aéreo que faciliten la comunicación entre aviones no tripulados, aviones tripulados y tierra para ayudar a la FAA a gestionar el espacio aéreo a baja altitud. Por ejemplo, la NASA está creando el sistema de gestión de tráfico del sistema de aeronaves no tripuladas para permitir operaciones a baja altitud, en asociación con grandes empresas como Alphabet (née Google) para abordar la tarea ( http://utm.arc.nasa.gov/index. shtml) Además, la mayoría de los drones de hoy en día no pueden volar de manera autónoma sin GPS, solo pueden cubrir escalas espaciales más pequeñas y no son a prueba de polvo o clima. Sin embargo, estas capacidades son probables en la tubería de muchos fabricantes de drones.

El software supera al hardware

Quizás el avance más significativo en la tecnología de drones relevante para la ecología se pueda encontrar en el lanzamiento de la tecnología de “drones inteligentes”: la interacción de los drones con poderosas computadoras a bordo, dispositivos de recolección de datos, aplicaciones de teléfonos inteligentes y, quizás lo más importante, la nube. La integración en la nube dará cuenta del potencial de los drones para la recolección, análisis y distribución masiva de datos. Para poner esto en perspectiva, usar un dron hoy con el único propósito de tomar una fotografía aérea es el equivalente a usar un iPhone solo para llamar a un pariente en su cumpleaños. Además, los kits de desarrollo de software gratuitos y abiertos y las API web actualmente accesibles para cualquier persona con experiencia básica en codificación permiten el desarrollo de software (“aplicaciones de drones”) que se pueden adaptar a necesidades específicas;

Los ecologistas deben comenzar a impulsar la innovación de software

Un punto de partida para un software específico para la ecología sería estandarizar la planificación de la misión para diferentes métodos de muestreo (p. Ej., Transectos, mapeo, diseños de bloques y parcelas individuales). En una aplicación básica de prueba de concepto (la llamamos “Sección”) desarrollada para este trabajo, un avión no tripulado (el 3DR Solo; Fig. 1 a ) se puede volar manualmente a una altitud determinada y apuntar en la dirección de la brújula elegida en aleatorio. Al presionar “reproducir” en la tableta, el dron apunta la cámara estabilizada con cardán hacia abajo y vuela un transecto de 300 m, tomando fotos en una superposición de fotos calculada automáticamente ( Fig. 2 a) Lo que puede haber tomado una hora en el suelo, estirar una cinta métrica al azar en el campo y dejar caer un cuadrante de PVC a lo largo de él, ahora lleva menos de un minuto. Esta función se lanzará este año como una actualización de la aplicación principal Solo (versión beta disponible a pedido).

El software de drones ya permite el geofencing (creación de límites de vuelo virtuales), una característica de seguridad importante. Sin embargo, el geofencing también puede comprender encuestas dentro de un área determinada y mejorar la gestión de la flota cuando participan varios investigadores (por ejemplo, cada individuo podría estar confinado en un sitio específico). Los datos se pueden enviar desde el dron a un teléfono o tableta y luego a repositorios en la nube para una organización coherente. Estos datos pueden ser compartidos entre equipos o publicados. Las aplicaciones de drones también podrían coordinar programas continuos de investigación en múltiples sitios dentro y entre universidades o agencias estatales y nacionales; por ejemplo, reuniendo parcelas de 50 ha que atraviesan el Centro Smithsonian de Ciencia de Bosques Tropicales, cursos de campo de la Organización de Estudios Tropicales, estaciones de campo biológicas o la Red Nacional de Observatorios Ecológicos (neonscience.org ).

Las aplicaciones para la ciencia ciudadana podrían ser verdaderamente revolucionarias

Los drones inteligentes abren la puerta a datos estandarizados de fuentes multitudinarias de formas previamente inimaginables. Por ejemplo, se podría crear una aplicación cargada con misiones preestablecidas para mapear áreas determinadas para que los pilotos de drones aficionados de todo el mundo la descarguen de forma gratuita. Muchos drones de consumo comunes pueden volar un transecto de 1 km a 50–100 m de altitud con una superposición de fotos del 80% a 12 megapíxeles en solo unos minutos, lo que requiere que un piloto ciudadano done menos del 25% de la vida útil de una sola batería recargable de LiPo ( esencialmente gratis). En consecuencia, 100 000 pilotos de drones en América del Norte, y muchas veces ese número en todo el mundo, podrían ser llamados a la acción para monitorear la propagación de especies invasoras, documentar cambios en la fenología o el rango de especies con el cambio climático, estudiar antes y después de tormentas o incendios , estimar poblaciones de vida silvestre, etc.

La realidad virtual traerá una nueva perspectiva al trabajo de campo.

Además de la integración en la nube está el reciente movimiento en la industria de los drones hacia cámaras de 360 ​​° ( Fig. 2 b ) y realidad virtual (VR). Los ecologistas ahora pueden volar rápidamente un transecto establecido con un dron recolectando video en 360 °, guardar ese video y luego realizar encuestas usando gafas VR (por ejemplo, Oculus Rift ™ o Google Cardboard ™). El uso de imágenes de 360 ​​° para vuelos repetidos de drones durante todo el año presentará un desafío para el análisis de datos de series de tiempo, pero tiene un potencial notable para cambiar la forma en que los ecólogos usan encuestas de campo y enseñan (ver la versión en línea para un video 3D de ejemplo).

Reglas y regulaciones

Los drones representan un desafío para la FAA. Estados Unidos tiene el espacio aéreo más ocupado del mundo, más de 75 000 vuelos tripulados al día , y la FAA está encargada de mantenerlo a salvo. La organización debe integrar de manera segura y total los drones en el espacio aéreo nacional, y aunque les gustaría hacerlo a un ritmo que no verifique la innovación o atenúe el potencial económico, se están tomando su tiempo para hacerlo bien. Hoy, las regulaciones pueden parecer confusas para las personas que no están profundamente involucradas con la industria de los drones, pero afortunadamente esperamos regulaciones oficiales en 2016. Esto facilitará que las instituciones de investigación comiencen a usar drones. Consulte el Apéndice B para obtener más detalles sobre las regulaciones actuales de drones.

Una llamada a la acción

Se deben abordar las preguntas básicas relacionadas con las ciencias de campo:

• ¿Qué tan precisos son los diferentes drones y pilotos automáticos en las misiones de vuelo en el espacio, a lo largo del tiempo y bajo diferentes condiciones climáticas?

• ¿Los resultados difieren entre los programas de planificación de misiones? ¿Cómo resolveríamos estas diferencias?

• ¿Cómo se comparan las diferentes cámaras y motores de software de costura fotogramétrica en el mapeo aéreo y en todas las disciplinas? ¿Cuáles son óptimos para la ecología?

• ¿La precisión de las estimaciones NDVI de cámaras lo suficientemente pequeñas como para caber en drones de grado de consumidor varía según las estaciones y (o) diferentes tipos de ecosistemas?

• ¿Cómo se compara LIDAR con la fotogrametría para diferentes aplicaciones ecológicas?

• ¿Cómo afectan los drones a las diferentes especies de vida silvestre? ¿Cuáles son las duraciones de estos impactos y cómo pueden mediarse?

Nota: No estamos abogando por que los científicos deberían mostrarse reacios a adoptar la última y mejor tecnología de drones. De hecho, lo opuesto es cierto: debemos realizar pruebas comparativas rigurosas a medida que una nueva industria presenta nuevas tecnologías en los próximos años, con una rápida difusión en el campo en su conjunto. Esto plantea importantes desafíos logísticos (dejando de lado las complicaciones legales) para la financiación de la investigación, así como para los editores y revisores que necesitan comprender la tecnología citada en los manuscritos.

Además, las revistas ecológicas deberán determinar qué datos se requieren para su publicación. Los investigadores pueden presentar la marca y el modelo de un vehículo determinado, pero ¿qué pasa con las especificaciones de los vehículos personalizados? Para los pilotos automáticos de código abierto, ¿deberían requerirse los registros de vuelo asociados? Quizás los autores también deberían enviar los archivos de planificación de la misión (solo posible en algunos paquetes de software). ¿Deberíamos tener en cuenta las variaciones en la precisión del GPS y, de ser así, cómo? Para los mapas o modelos 3D asociados, ¿se debe exigir a los autores que carguen las fotos geoetiquetadas individuales para que otros investigadores puedan comparar entre diversos motores de análisis y costura de software? ¿Qué formatos de archivo se requerirán? ¿Y dónde se almacenarán estos datos (y habrá terabytes)? Dadas las diversas aplicaciones para drones, Es probable que los métodos también se publiquen o se presenten en conferencias que abarquen muchas disciplinas diferentes pero que sean directamente relevantes para la ecología. ¿Cómo se rastrearán estas publicaciones en todas las disciplinas para minimizar la duplicación?

Entonces, ¿cómo avanzas tú, el investigador?

Lo alentamos a comenzar a usar drones ahora para comprender la tecnología y rastrear la industria. No espere que la tecnología se desacelere; no se ralentizará por un tiempo y tu equipo estará aún más atrás. Si le preocupan las regulaciones, compre un dron personalmente y vuele como aficionado para familiarizarse con la tecnología. Aproveche los países con regulaciones más indulgentes para impartir talleres o realizar trabajos de campo. Si te gustaría enseñar con drones de inmediato, construye una gran red de vuelo. Los estudiantes de pie fuera de las redes con drones adentro también tienden a ser vistos positivamente por los administradores de la universidad y los oficiales de seguridad, y usted estará exento de las regulaciones de la FAA en este espacio “interior”.

En cuanto al costo, no se deje tentar por los caros aviones no tripulados comerciales en el mercado. Comience con un dron en el rango de ~ $ 500–3500, y compre algunos juguetes pequeños (~ $ 50–100 para Parrot Minidrone o Blade Nano QX) para practicar volar en su casa. A tus hijos les encantará (a tu cónyuge no). Hay una gran demanda de currículos en la academia en general, y específicamente para usos ecológicos. Desarrollarlo, enseñarlo y hacer que esté ampliamente disponible.

Conéctese con la industria de drones tanto como sea posible yendo a espectáculos de drones más grandes. Sin embargo, ahora están apareciendo docenas de ferias comerciales de drones con fines de lucro, algunas de las cuales no son útiles ni cuentan con la asistencia de la industria. Asista a eventos más grandes (por ejemplo, AUVSI, Interdrone). Del mismo modo, tenga cuidado con los “vaporware” o con las nuevas compañías de drones o productos promocionados que se anuncian al público pero que nunca se envían a los clientes (o se cancelan). Únase a una comunidad de drones en línea, como DIYdrones.com, y aprenda sobre la tecnología. Continuar teniendo sesiones de UAV en las reuniones, como la reunión anual de la Sociedad Ecológica de América, así como en diferentes grupos de trabajo. Sobre todo, comuníquese con aquellos de nosotros integrados en la industria.

Dado que la agricultura, el petróleo y el gas, la construcción, la inspección y los bienes raíces son mercados enormes, abiertos y lucrativos, puede haber un incentivo bajo para que las grandes compañías de drones financien la integración de sensores específicos de la ecología a corto plazo a menos que se aproveche otras aplicaciones comerciales (p. ej., sensores de CO ₂ ). Sin embargo, las compañías científicas de sensores pueden ser incentivadas a integrar sensores o accesorios específicos si existe una gran demanda de la comunidad científica. Además, hasta la fecha, ni una sola compañía de suministros científicos comúnmente utilizada por los ecologistas está distribuyendo drones. Pregunte y estas empresas responderán.

No permita que su institución relegue drones al departamento de ingeniería o aeroespacial. Los drones se pueden usar en todas las disciplinas; por lo tanto, una biblioteca central de drones es probablemente el mejor enfoque a largo plazo a nivel de departamento o universidad, a diferencia de los laboratorios individuales que compran los suyos. Los vehículos podrían ser retirados de la biblioteca por estudiantes e investigadores que cumplan con los estándares de capacitación departamentales (aún no hay estándares nacionales), mientras que una sola persona o un conjunto podrían encargarse de monitorear registros de misiones, inspecciones, reparaciones, carga de baterías, accesorios etc.

Sobre todo, ¡diviértete! Las tomas de video autónomas tomadas desde el aire son increíbles para charlas y presentaciones, y son inspiradoras para los estudiantes. Es un mundo nuevo y valiente. Respira hondo y despega.