Uso de imágenes de drones y fotogrametría para el monitoreo de la salud estructural

La evaluación y el monitoreo de la salud estructural de los elementos de hormigón resultan claves a la hora de determinar daños y posibles estrategias de reparación o, en el peor de los casos, remoción o demolición de estos elementos. En la actualidad, con el uso de drones y el avance tecnológico, se logran obtener datos mucho más completos, lo que repercute en evaluaciones de salud estructural mucho más precisas.

Autor: Chakradhar Gondi, ingeniero civil con Máster en Ingeniería Civil Estructural y Mecánica de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (North Carolina State University), Estados Unidos. Ingeniero estructural forense con más de 10 años de experiencia en la inspección, diseño, análisis y retroalimentación de estructuras nuevas y existentes en las áreas comerciales, habitacionales, de telecomunicación, solar e industrial.

Fuente: Concrete Repair Bulletin

Traducción: Felipe Kraljevich M.

El monitoreo de la salud estructural (SHM, por sus siglas en inglés) se refiere al proceso de evaluar el estado de las estructuras para detectar daños, garantizar la seguridad y extender la vida útil. Implica el uso de diversas tecnologías, como métodos de evaluación no destructivos (NDE, por sus siglas en inglés), sensores, análisis de datos y técnicas avanzadas de imagen, para monitorear, evaluar y analizar el desempeño de las estructuras bajo cargas operativas o ambientales.

Los avances en la tecnología de drones y la fotogrametría han revolucionado el monitoreo de salud estructural al ofrecer soluciones detalladas, eficientes y no invasivas para evaluar las condiciones estructurales. Este artículo explora la aplicación de imágenes de drones y fotogrametría en el monitorio de salud estructural, enfocándose en sus metodologías, ventajas y aplicaciones utilizando estudios de casos reales.

Introducción a la tecnología de drones y la fotogrametría

Los Sistemas Aéreos No Tripulados (UAS, por sus siglas en inglés), comúnmente conocidos como drones, se utilizan cada vez más en evaluaciones estructurales para obtener imágenes aéreas de alta resolución y mapas ortomosaicos detallados.

Los Sistemas Aéreos No Tripulados permiten a los inspectores acceder rápidamente a áreas de difícil acceso, minimizando el riesgo humano y reduciendo los tiempos de inspección. Al capturar cientos de imágenes que luego se procesan mediante fotogrametría, los ingenieros pueden crear modelos 3D, medir dimensiones e identificar vulnerabilidades estructurales.

La fotogrametría implica procesar fotografías superpuestas tomadas desde diferentes ángulos para recrear representaciones visuales y espaciales detalladas. Al procesar imágenes tomadas desde distintos ángulos, el software de fotogrametría genera reconstrucciones 3D precisas de objetos y superficies.

En el monitoreo de salud estructural, la fotogrametría se utiliza para monitorear erosión, degradación de materiales, desplazamiento y deformación a lo largo del tiempo. Cuando se combina con la tecnología de drones, la fotogrametría proporciona datos visuales integrales para evaluar la integridad de la infraestructura.

Metodología

Estos son los pasos involucrados en la implementación de imágenes de drones y fotogrametría para el monitoreo de la salud estructural:

• Despliegue de Sistemas Aéreos No Tripulados: Se montan cámaras de alta resolución o sensores especializados (por ejemplo, infrarrojos) sobre los drones. Se requieren pilotos certificados por la Administración Federal de Aviación (FAA) para operar los drones, garantizando el cumplimiento de las regulaciones y operaciones de vuelo seguras (1). Las rutas de vuelo se programan previamente o se controlan manualmente para capturar imágenes superpuestas de la estructura desde varios ángulos.
• Procesamiento fotogramétrico: Las imágenes recolectadas se procesan mediante software para generar mapas 2D detallados y modelos 3D. Estos modelos entregan precisión dimensional, permitiendo mediciones exactas de defectos o características estructurales.
• Fusión de datos con otros ensayos de métodos de evaluación no destructivos (2): Las imágenes fotogramétricas también pueden combinarse con los resultados de otras técnicas de métodos de evaluación no destructivos, como el radar de penetración terrestre (GPR, en sus siglas en inglés) y el escaneo de eco de impacto (IES, en sus siglas en inglés) (3,4). Estas técnicas son útiles para detectar refuerzo interno y el espesor de los elementos de hormigón, así como para identificar vacíos, corrosión de barras y evaluar la integridad de los elementos de hormigón. Los ingenieros pueden superponer los resultados de las pruebas de métodos de evaluación no destructivos sobre los modelos fotogramétricos, integrando así las características del levantamiento visual con las condiciones internas de los elementos de hormigón.
• Análisis e informes: Los informes suelen incluir documentación visual, modelos 3D y recomendaciones de reparación. Los ingenieros analizan los resultados del levantamiento con Sistemas Aéreos No Tripulados, la fotogrametría y otros ensayos con métodos de evaluación no destructivos para identificar defectos, evaluar riesgos y desarrollar recomendaciones para el mantenimiento o la reparación.

Aplicaciones en el monitoreo de la salud estructural

Algunas aplicaciones de las imágenes de drones y la fotogrametría en el Monitoreo de Salud Estructural incluyen:

• Evaluaciones posteriores a un desastre: Después de los desastres naturales, los drones son fundamentales para evaluar rápidamente los daños estructurales en grandes áreas. Esta aplicación resultó evidente luego de huracanes recientes como Ian, Helene y Milton, donde los drones proporcionaron información vital para la respuesta de emergencia y la planificación de la restauración.
• Inspecciones de puentes: Las imágenes de alta resolución permiten a los ingenieros detectar grietas, desconchamiento (fenómeno de “spalling”) y otros problemas superficiales. Esto puede combinarse con otras tecnologías de métodos de evaluación no destructivos como el radar de penetración terrestre o el escaneo de eco de impacto.
• Estructuras y torres altas: Los drones mejoran estas inspecciones al proporcionar imágenes detalladas de elevaciones altas de manera eficiente y segura, reduciendo la necesidad de grandes equipos como grúas y minimizando el riesgo para el personal.
• Monitoreo de infraestructura envejecida: Los drones juegan un papel clave en el monitoreo de estructuras envejecidas y edificios históricos al documentar cambios a lo largo del tiempo. La fotogrametría ofrece una base confiable para la comparación, permitiendo la detección de deterioro progresivo.
• Control de calidad en construcción: Durante la construcción, los drones pueden utilizarse para verificar alineación, dimensiones y otros parámetros de diseño. La fotogrametría asegura una documentación precisa de las condiciones tal como se construyeron.

Algunos de los conceptos mencionados anteriormente se utilizaron para la realización de inspecciones de emergencia posteriores a la tormenta para varios proyectos de infraestructura en Florida, los que recibieron el impacto de los huracanes Helene y Milton en 2024. Dos de estos casos de estudio se incluyen en los siguientes capítulos.

Caso de estudio 1: Evaluación posterior a la tormenta de un embarcadero luego del huracán Helene

La estructura en cuestión es un embarcadero de 183 metros de largo compuesto de escollera y ubicado en la costa del Golfo de México en Florida. El embarcadero sufrió daños luego del paso del huracán Helene el 26 de septiembre de 2024, incluyendo desplazamiento significativo de arena y movimientos menores debido a marejadas ciclónicas y vientos fuertes. Se realizó un levantamiento con Sistemas Aéreos No Tripulados el 3 de octubre de 2024, capturando 500 imágenes aéreas que se procesaron para crear un mapa ortomosaico del embarcadero.

Una imagen ortomosaica es una imagen aérea de alta resolución tomada por los Sistemas Aéreos No Tripulados. Cuando se ensamblan con software especializado mediante un proceso llamado ortorrectificación, estas imágenes pueden usarse para crear un mapa altamente detallado y libre de distorsión, mejorando la visibilidad de los detalles.

El proceso de ortorrectificación elimina la perspectiva de cada imagen individual para crear consistencia en todo el mapa. La Figura 1 muestra la comparación entre la imagen ortomosaica creada a partir del levantamiento con Sistemas Aéreos No Tripulados y la imagen de Google Earth del 13 de febrero de 2023 (5).

Los Sistemas Aéreos No Tripulados y el estudio ortomosaico identificaron los siguientes hallazgos:

• Se observó un desplazamiento de arena de 2 a 3 pies a lo largo del perímetro norte del embarcadero.
• Se detectó un movimiento menor de la escollera en el borde oeste del embarcadero y el rompeolas.
• Se acumularon escombros menores, incluyendo madera, plástico y boyas, dentro de la escollera.

Para abordar los daños observados durante la inspección, se recomendó restablecer la nivelación y reemplazar la arena removida durante el huracán. Se sugirió la instalación de escollera de mayor tamaño en la porción oeste del embarcadero para mitigar una mayor erosión y desplazamiento potencial durante futuras tormentas. También se aconsejó retirar los escombros dentro de la escollera para evitar problemas a largo plazo.

Caso de estudio 2: Evaluaciones de puentes luego del paso del huracán Helene

Tras el huracán Helene, se realizaron inspecciones en varios puentes de Florida para evaluar su condición estructural. Las inspecciones se realizaron mediante una combinación de evaluaciones manuales y levantamientos con Sistema Aéreos No Tripulados.

Se realizó una inspección manual sobre la cubierta, mientras que la inspección visual limitada sobre la línea de flotación se realizó utilizando Sistemas Aéreos No Tripulados. Las imágenes de drones extendieron las inspecciones visuales a áreas de difícil acceso, proporcionando datos integrales sobre las condiciones estructurales.

La Figura 2 muestra fotos de ejemplo del levantamiento con Sistemas Aéreos No Tripulados del puente 1. El puente 1 evidenció desconchamiento y refuerzo corroído expuesto en una de las capas de la pila del extremo. Las Figuras 3 y 4 muestran fotos de la inspección del levantamiento con Sistemas Aéreos No Tripulados del puente 2. El puente 2 presentó desplazamiento de apoyos y desconchamiento en los estribos.

Beneficios de las aplicaciones de drones y fotogrametría en el monitoreo de salud estructural

• Mayor seguridad: Las inspecciones con drones eliminan la necesidad de que los inspectores accedan directamente a áreas peligrosas, reduciendo el riesgo de accidentes.
• Eficiencia económica: Los levantamientos con drones son más rápidos y económicos en comparación con las inspecciones manuales tradicionales.
• Alta precisión: La fotogrametría proporciona mediciones detalladas y modelos 3D, permitiendo la identificación precisa de problemas estructurales.
• Eficiencia en el tiempo: Las imágenes de drones reducen la duración de las inspecciones, permitiendo una identificación más rápida de vulnerabilidades y una implementación más ágil de reparaciones.
• Cobertura integral: Los drones cubren grandes áreas en poco tiempo, asegurando evaluaciones completas y exhaustivas de estructuras extensas.

Desafíos y limitaciones

Aunque la tecnología de Sistemas Aéreos No Tripulados ofrece ventajas significativas en el monitoreo de la salud estructural, no elimina la necesidad de inspecciones manuales. El uso de drones no reemplaza a la expertise humana, sino que es una herramienta innovadora en el arsenal del inspector.

Debido a las limitaciones inherentes de la investigación visual basada en drones, los Sistemas Aéreos No Tripulados se utilizan mejor como una herramienta complementaria para dirigir estratégicamente áreas para una inspección manual adicional. Algunas de las limitaciones incluyen:

• Dependencia del clima: Las condiciones climáticas adversas pueden dificultar las operaciones de los drones.
• Procesamiento de datos: Grandes volúmenes de imágenes requieren un procesamiento significativo y recursos computacionales.
• Requisitos de habilidades: La operación de drones y el análisis fotogramétrico requieren capacitación y experiencia especializadas. Un experto debe acompañar al piloto del Sistema Aéreo No Tripulado durante las operaciones para dirigir las rutas de vuelo e identificar áreas específicas de interés. Además, los datos recolectados durante un levantamiento con Sistemas Aéreos No Tripulados requieren interpretación por parte de profesionales capacitados que puedan analizar los resultados e integrarlos con otras técnicas de inspección.
• Restricciones regulatorias: El uso de drones está sujeto a regulaciones locales y restricciones de vuelo, lo que puede limitar ciertas inspecciones.

Direcciones futuras

A medida que la tecnología continúa evolucionando, se espera que la integración de IA y de machine learning con la fotogrametría de drones mejore aún más el monitoreo de salud estructural. La detección automatizada de defectos, la modelización predictiva y el análisis de datos en tiempo real agilizarán los procesos de inspección y mejorarán la precisión de las evaluaciones. Además, los avances en el diseño de drones y sensores de imagen ampliarán las capacidades del monitoreo de salud estructural, permitiendo levantamientos más detallados y extensos.

Conclusión

Las imágenes de drones y la fotogrametría están transformando el panorama del monitoreo de la salud estructural. Los estudios de caso del espigón marino y los puentes destacan la eficacia de estas tecnologías en evaluaciones posteriores a desastres e inspecciones rutinarias. Al aprovechar la tecnología de drones, los ingenieros pueden realizar evaluaciones más seguras, rápidas y precisas, contribuyendo en última instancia a la longevidad y resiliencia de la infraestructura crítica.

Referencias

1. Unmanned Aircraft Systems (UAS). (n.d.). Federal Aviation Administration (FAA). (2024). https://www.faa.gov/uas.

2. Larry Olson, ‘Fusion of NDE Scanning and Photogrammetric Data for Concrete Bridge Decks and Girders Condition Assessment’, NDT-CE 2022, The International Symposium on Nondestructive Testing in Civil Engineering, Zurich, Switzerland, August 16-18, 2022.

3. ASTM D6432-19, “Standard Guide for Using the Surface Ground Penetrating Radar Method for Subsurface Investigation”, ASTM International, West Conshocken, PA, 2020, 19 pp. Google Image Reference – Google Earth image dated February 13, 2023.

4. ASTM C1383-04, “Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method”, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2004. 9 pp.

5. Google Earth Pro 7.3.6.10201 (2025), Image dated February 13, 2023, Clearwater, FL, Elevation 509 ft, Image 2025 © Maxar Technologies. Available from: https://earth.google.com/web/ [Accessed January 31, 2025].