105222 by UNIGIS América Latina

Master Thesis ǀ Tesis de Maestría submitted within the UNIGIS MSc programme presentada para el Programa UNIGIS MSc at/en

Interfaculty Department of Geoinformatics- Z_GIS Departamento de Geomática – Z_GIS University of Salzburg ǀ Universidad de Salzburg

Monitoreo de canteras con Geomática y UAV. Caso de estudio: Cantera al oriente de Quito-Ecuador Monitoring of quarries with Geomatics and UAV. Case Study: Eastern Quarry, Quito-Ecuador by/por

Roberto Alonso Cepeda Naula 11825475 A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Master of Science– MSc Advisor ǀ Supervisor:

Leonardo Zurita Arthos PhD

Quito - Ecuador, Noviembre 2022

Compromiso de Ciencia

Por medio del presente documento, incluyendo mi firma personal certifico y aseguro que mi tesis es completamente el resultado de mi propio trabajo. He citado todas las fuentes que he usado en mi tesis y en todos los casos he indicado su origen.

Quito, noviembre 2022 (Lugar, Fecha)

(Firma)

Agradecimiento Al Equipo de UNIGIS y Universidad de Salzburgo, en brindarme el aprendizaje de excelencia en el mundo de los SIG.

Un encarecido agradecimiento a los profesores que me han direccionado para la presente investigación: Fernanda B., M.Sc y Richard Resl, Ph.D. Collet Laure, MSc. Jorge Rubiano, Ph.D. Rafael Beltran Ramallo, M.Sc. Gabriela Ramón, M.Sc. Carlos Morales, Coach Académico.

Así también un agradecimiento especial a las personas que me han ofrecido su ayuda: al Profesor Ing. Héctor Cepeda, a la estimada Ing. Ana Merino, M.Sc. y al colega muy apreciado Ing. Juan Carlos Vargas, MBA.

Dedicatoria

Dios y libertad. Mis queridos padres Héctor y Marlene siempre con la motivación de su apoyo, además fundamentales mis dos queridos hermanos y abuelitos. Siempre todos mis logros para mi abuelito Juan Alonso Cepeda .

Resumen Las minas a cielo abierto y las canteras se consideran modeladores paisajísticos de la superficie terrestre, encontrándose entre las firmas antropogénicas que sugieren la necesidad obligatoria y regulatoria de monitoreo. El uso de geomática (análisis espacial - temporal), asociada a nuevas tecnologías de mapeo en diferentes latitudes del planeta y los avances de automatización computacional en geociencias, desarrolla la posibilidad del control minero y de este documento. En la presente investigación, se ejecuta misiones nadir y oblicuas de un UAV-liviano en la cantera ubicada al oriente de Quito-Ecuador, donde son aplicados los métodos de reconstrucción aerofotogramétricos (SfM) y sistemas de receptores GNSS, en 13 campañas. Lo que determina entidades espaciales con resoluciones de alta calidad de GSD = 5 mm/pixel - 5 cm/pixel en toda la cantera (20 hectáreas). Los productos desarrollados se analizan mediante sistemas de información geográfica en diversos softwares de acuerdo con herramientas geomáticas (DoD, pendientes-aspectos, facetas, digitalización - análisis 3D, cinta métrica - brújula virtual, clasificación RGB de nube de puntos, entre otros). Los resultados permiten determinar una evolución de las geoformas con cambios volumétricos en un 67.61 % de la superficie intersecada por el DoD-pendientes-aspectos en la cantera, adicionalmente se obtiene datos de comportamiento espacial para discontinuidades geológicas en 15 taludes donde predomina un flujo de lava andesítica y se determina un RMR o calidad del macizo rocoso de regular-bueno. Por lo tanto, los datos generados 3D-2D presentan una validación mediante información de ordenador e in situ y data secundaria recopilada del escenario estudiado, por lo que, son elementos oportunos al activar el flujograma de monitoreo para la cantera. Lo que se constata al comprobar la hipótesis de la investigación con una optimización en tiempo del 67 % en relación al uso de métodos tradicionales. De tal forma se recomienda usar el flujograma de monitoreo en otras áreas mineras más extensas. PALABRAS CLAVE: Aerofotogrametría, Cantera, Geociencias, Geomática, Monitoreo, UAV.

Abstract Open-pit mines and quarries are considered landscape modelers of the earth's surface, being among the anthropogenic signatures that suggest the mandatory and regulatory need for monitoring. The use of geomatics (spatial-temporal analysis), integrated with new mapping technologies in different latitudes of the planet and the advances in computational automation in geosciences, develops the possibility of mining control and this document. In the present research, nadir and oblique missions of lightweight UAV in the quarry located east of Quito-Ecuador, where aerial photogrammetric reconstruction methods (SfM) and GNSS receiver systems are applied in 13 campaigns. This determines spatial entities with high-quality resolutions of GSD = 5 mm/pixel - 5 cm/pixel in the quarry (20 hectares). The spatial entities developed are analyzed using geographic information systems in various software according to geomatics tools (DoD, slopes-aspects, facets, digitizing - 3D analysis, tape measure - virtual compass, RGB classification of the point cloud, etc.). The results allow us to determine the evolution of the geoforms with volumetric changes in 67.61 % of the surface intersected by the DoD-slopes-aspects in the quarry, additionally, we obtain spatial behavior data for geological discontinuities in 15 slopes where an andesitic lava flow predominates and a RMR or quality of the rock mass of regular-good is determined. Therefore, the generated 3D-2D data presents a validation through the computer, in situ information and secondary data collected from the studied scenario, so, they are opportune elements when activating the monitoring flowchart for the quarry. This is confirmed by proving the hypothesis of the research with an optimisation in time of 67% in relation to the use of traditional methods. As such, it is recommended to use the monitoring flowchart in other larger mining areas. PALABRAS CLAVE: Geomatics, Geosciences, Monitoring, Photogrammetry, Quarry, UAV.

Tabla de contenido 1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................13 1.1. ANTECEDENTES ................................................................................................ 13 1.2. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................15 1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................................. 15 1.4. PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN .................................................................. 16 1.5. HIPÓTESIS........................................................................................................... 16 1.6. JUSTIFICACIÓN..................................................................................................16 1.7. ALCANCE............................................................................................................ 17 2. REVISIÓN DE LITERATURA ................................................................................... 19 2.1. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 19 2.1.1.

Minería y control minero .......................................................................... 19

2.1.2.

Canteras .................................................................................................... 21

2.1.3.

Fotogrametría aérea y UAV ......................................................................26

2.2. MARCO METODOLÓGICO ................................................................................ 32 2.2.1.

Materiales pétreos .....................................................................................33

2.2.2.

Flujo de análisis ........................................................................................ 33

3. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 41 3.1. ÁREA DE ESTUDIO ............................................................................................41 3.1.1.

Geología ................................................................................................... 42

3.1.2.

Geomorfología, fisiografía y clima ............................................................ 45

3.2. FLUJOGRAMA .................................................................................................... 46 3.3. DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA ...........................................................48 3.3.1.

Fotogrametría (levantamiento información primaria) ................................ 48

3.3.2.

Análisis espacial y temporal ......................................................................53

3.3.3.

Evaluar-caracterizar y comparar ................................................................59

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS .....................................................................................60 4.1. RESULTADOS ..................................................................................................... 60 4.1.1.

Fotogrametría y productos ........................................................................ 60

4.1.2.

Cambios geomorfológicos......................................................................... 63

4.1.3.

Caracterización Geológico-Estructural ...................................................... 68

4.1.4.

Flujograma proyectivo .............................................................................. 76

4.2. ANÁLISIS ............................................................................................................ 78 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................86 5.1. CONCLUSIONES ................................................................................................ 86 6

5.2. RECOMENDACIONES ....................................................................................... 87 6. REFERENCIAS........................................................................................................... 88 ANEXOS ....................................................................................................................... 101 Anexo 1. Materiales, equipos y software. ................................................................... 101

Lista de tablas Tabla 1. Elementos de caracterización geomorfológica para canteras. .............................. 23 Tabla 2. Propiedades de discontinuidades. ........................................................................25 Tabla 3. Ecuación de colinealidad. ................................................................................... 30 Tabla 4. Escalas experimentadas de cartografiado en los productos fotogramétricos conforme al GSD. ............................................................................................................31 Tabla 5. Fórmulas para solapamiento de UAVs. ...............................................................32 Tabla 6. Herramientas de análisis de superficies. .............................................................. 36 Tabla 7. DoD (DEM of difference). .................................................................................. 37 Tabla 8. Parámetros geológicos detectados con fotogrametría aérea. ................................39 Tabla 9. Promedios: errores residuales GCPs y puntos en campo vs medidas en DTMs. ...61 Tabla 10. Reporte total sobre el DoD (área y volumen). ................................................... 66 Tabla 11. Datos geomecánicos obtenidos mediante análisis espacial y caracterizados....... 70

Lista de gráficos y figuras Figura 1. Mundo: extracción doméstica de minerales metálicos y no metálicos, años: 19702010, minerales no metálicos (de construcción) son explotados en gran volumen ............. 19 Figura 2. Esferas temáticas en la minería .......................................................................... 20 Figura 3. Explotación de cantera de áridos. ......................................................................21 Figura 4. Canteras y explotaciones para áridos. ................................................................22 Figura 5. a) Representación esquemática de las propiedades de las discontinuidades que condicionan el comportamiento mecánico (rugosidad, apertura, relleno, orientación, y otros) y b) ejemplo de discontinuidad con apertura representativa .................................... 24 Figura 6. Espectro electromagnético.................................................................................27 Figura 7. Sistema de radiación y firmas espectrales de minerales tipo...............................28 Figura 8. Geoposicionamiento a partir de constelaciones satelitales, estaciones terrestre y usuarios tanto de plataformas a) aéreas como b) en superficie. .........................................28 Figura 9. a) Colinealidad – haces perspectivos y b) Origen de los puntos de coincidencia en el espacio a partir de haces perspectivos. ..........................................................................29 Figura 10. Ground Sample Distance (GSD). Nota: El ejemplo numérico caracteriza al sensor remoto de un UAV específico. ..............................................................................30 Figura 11. Solapamiento de fotogramas, en cantera. .........................................................31 Figura 12. Flujo de trabajo para análisis espacial. ............................................................. 34 Figura 13. Entidades geográficas a partir de UAVs ..........................................................35 Figura 14. Mediciones de parámetros geológicos-geomecánicos ...................................... 39 Figura 15. Mapa de ubicación de la zona de investigación ................................................41 Figura 16. Fenómeno de subducción, y zona de investigación .......................................... 42 Figura 17. Cuadrante mapa geológico de la zona de estudio ............................................. 44 Figura 18. A) Fotografía panorámica donde se indica diferentes cambios de facies litológicas en el frente norte de la cantera, pero en b) con predominancia del flujo de lava (andesitas intermedias de tono azulado). .......................................................................... 45 Figura 19. A) Accidentes geomorfológicos regionales, aledaños a la zona de estudio. B) Geoformas locales (foto panorámica de drone hacia el oriente de la cantera) ....................46 Figura 20. Diagrama de flujo de la metodología a emplear ...............................................48 Figura 21. Receptores GNSS y GCPs ...............................................................................49 Figura 22. Misiones (líneas de sobrevuelo), tipos de tomas y despegue de UAV ..............50 Figura 23. Procesamiento fotogramétrico y productos. .....................................................52 Figura 24. Interfaz del DoD en ArcMap ........................................................................... 54 Figura 25. Análsis del terreno mediante pendientes y perfiles en ArcGIS Pro ................... 55 Figura 26. Entorno del plugin Facets en CloudCompare – SIG, y ejemplo para talud. ......56 Figura 27. Interacción con las interfaces para medir datos geológico-estructurales ...........57 Figura 28. A) Nube de puntos en RGB de los taludes-bancos ubicados al norte de la cantera, y b) clasificación de nube de puntos por tonalidad en RGB (litotipos) mediante Agisoft PhotoScan ...........................................................................................................58 Figura 29. Nube de puntos restituidas en las 12 campañas mensuales ............................... 60 Figura 30. Taludes restituidos a partir de misiones oblicuas (T1-T6). ...............................61 Figura 31. Regresión lineal y residuales de datos campo vs ordenador (DTM) ................. 62 Figura 32. DTMs y ortomosaicos del periodo de monitoreo inicial a, c y final b, d. .......... 63 Figura 33. Mapas y estadísticas del DoD en el periodo enero 2019 – enero 2020.............. 64 Figura 34. A) DoD calculados en los diferentes periodos monitoreados. B) Estadísticas de cambios de superficie en volumen (m3) ............................................................................ 65 9

Figura 35. Mapas de pendientes y aspecto ........................................................................67 Figura 36. Litotipos muestreados en aerofotogrametría de T1-T6 (Taludes) ..................... 68 Figura 37. A) Mapa de Tendencias de RMR y elementos geológicos. B) Cuadro de frecuencias y estadísticas del RMR., y c) Datos de familias promedio de discontinuidades en estereograma ............................................................................................................... 75 Figura 38. Regresión lineal y residuales, en 70 datos de Brújula vs Ordenador ................. 76 Figura 39. Flujograma proyectivo ....................................................................................78

Acrónimos ARCOM: La Agencia de Regulación y Control Minero. ASPRS: La Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección. DEM:

Digital Elevation Model (Modelo Digital de Elevación).

Dip:

Inclinación de superficie geológica.

DipDirection: Dirección en azimut de inclinación de superficie geológica. Discontinuidad: Estructura geológica de debilidad. DGPS: Differential Global Positioning System (GPS Diferencial) DoD:

DEM of difference (Modelo Digital de Elevación de Diferencia).

DSM:

Digital Surface Model (Modelo Digital de Superficie).

DTM:

Digital Terrain Model (Modelo Digital de Terreno).

ECM: Error cuadrático medio. Entablamento: Disposición y estructuración de lavas enfriadas por disyunción columnar. Estructural: Disposición geométrica de rocas. Facetas: Planos de discontinuidades geológicas. GCP:

Ground Control Point (Puntos de Control en Terreno).

GLONASS: Sistema Global de Navegación por Satélite desarrollado por la Unión Soviética. GNSS:

Global Navigation Satellite System (Sistema Global de Navegación por Satélite).

GPS:

Global Position System (Sistema de Posicionamiento Global).

GSD:

Ground Sampling Distance (Distancia entre centros de pixeles, que representan el

suelo). INEC: Instituto Nacional de Estadística y Censos. MEM: Ministerio de Energía y Minas. MVS: Vista Múltiple. NTRIP: Networked Transport of RTCM vía Internet Protocol (Protocolo de Transferencia de Hipertexto HTTP). ODS:

Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas.

Open-Pit: Morfología de explotación a exterior que conforma bancos. OTI: Organización Internacional del Trabajo. PIACT: Programa Internacional para el Mejoramiento de las Condiciones y Medio Ambiente de Trabajo. 11

RC: Radio Control. RGB:

Red, Green, Blue (Rojo, Verde, Azul).

RMR:

Rock Mass Rating (Clasificación Geomecánica de Bieniawski).

RQD:

Rock Quality Designation (Designación de la Calidad de Roca).

RTK:

Real Time Kinematic (Navegación Cinemática Satelital en Tiempo Real).

SfM: Estructura de Movimiento (Método Fotogramétrico). SIFT:

The

Scale

Invariant

Feature

Transform

(algoritmos

procesamiento

Fotogramétrico). SIG: Sistemas de Información Geográfica. SLLAC: Slope local length of autocorrelation (algoritmo para detección de terrazas). Threshold: Umbral, segmentar gráficos rasterizados, separar objetos no deseados. TLS:

Terrestrial Laser Scanner (Escáner Láser Terrestre).

UAV: Unmanned Aerial Vehicle (Vehículo Aéreo No Tripulado).

1. INTRODUCCIÓN En el mundo, desde el año 1970 al 2010, se registra un incremento del 500 % en el consumo de minerales no metálicos y materiales de construcción (UNEP et al., 2016), con una tendencia proyectiva en escenarios mineros. Por lo tanto, aparece la necesidad del control minero (sostenibilidad), una tarea que para la tecnología aeroespacial y aplicaciones fotogramétricas mediante drones es posible y que se fortalece en las geociencias (Fernández-Lozano et al., 2016).

1.1. ANTECEDENTES El Ecuador se ubica al noroeste de Sudamérica en el cinturón de fuego del Pacífico (Vera, 2013) entre Colombia y Perú. Geográficamente predominan los Andes que dividen la parte continental en tres regiones naturales oriente (cuenca Amazónica), serranía (zona Andina) y Costa, regiones que no sólo son simples expresiones geomorfológicas, sino que también reflejan ambientes geológicos diferentes (Baldock, 1982). Estudios científicos efectuados desde hace 40 años sobre los fondos submarinos, las islas oceánicas y los márgenes continentales del Ecuador han suscrito la extraordinaria riqueza geológica (Collot et al., 2009) y una evolución de millones de años a escala mundial. La geología del Ecuador, desde el archipiélago de Galápagos (una cuarta región) hasta el Ecuador continental es uno de los laboratorios más complejos del mundo para estudiar la evolución geodinámica (Vera, 2013). La tectónica de placas y condiciones estructurales se relacionan con el desarrollo de yacimientos metálicos y no metálicos en el territorio ecuatoriano. Igualmente, la zona de subducción del Ecuador, que figura la convergencia este-oeste entre la placa de Nazca y el continente Sudamericano a 5.5-5.8 cm/año, ha propiciado la construcción de relieves andinos (Collot et al., 2009), también ha originado fenómenos naturales devastadores anunciados por los eventos volcánicos y sísmicos en la historia del país. Es importante mencionar que toda actividad económica en territorio ecuatoriano está sujeta a amenazas naturales, por ejemplo, el terremoto del 16 de abril de 2016 (IGEPN, 2020).

En Ecuador, las diversas investigaciones geológicas, desde Teodoro Wolf (1892) con el primer mapa geológico (Vera, 2013), se han intensificado desde mediados de los 80ᵎs hasta la actualidad, instaurando proyectos como PRODEMINCA que aseguró el “Desarrollo Minero y Control Ambiental” en el país, ejecutado desde 1995 por el Ministerio de Energía 13

y Minas (MEM) con asistencia técnica de Gran Bretaña y Suecia (Duque, 2000). De tal modo, desde hace tres décadas se promueve el crecimiento sostenido de la actividad e inversión minera en el Ecuador. El sector minero ha tomado importancia en el contexto de la economía ecuatoriana con incremento de ingresos (BCE, 2017). El estado ecuatoriano impulsa leyes mineras (Constitución de la República del Ecuador et al., 2018), incentivando la inclusión de actores mineros en territorio nacional, precautelando el impacto ambiental y social e integrando la socialización, inversión, investigación y metodologías de innovación en el sector minero (ARCOM, 2019; BCE, 2017). De tal forma, evita la minería ilegal y antitécnica, que propaga un daño ambiental y social, severo.

El crecimiento mundial de la población y edificaciones causa la necesidad de mayor cantidad de materiales de construcción (Addison y Roe, 2018; UNEP et al., 2016), considerándose como los recursos minerales del tercer milenio con más del 40% de la producción mundial de materias primas minerales. Así también en Ecuador, constituyen el grupo de minerales y rocas que más se explotan en volumen y que se emplean en todo tipo de obras civiles (Ministerio de Minería et al., 2016). El “Plan Nacional de Desarrollo del Sector Minero” (Ministerio de Minería et al., 2016) y el último censo de población y vivienda realizado por INEC en 2010 (REDATAM, 2010), establece tres provincias con mayor concentración de asentamientos humanos que se dedican a la explotación de minas y canteras siendo estas El Oro, Pichincha y Azuay; con la peculiaridad del cantón Quito que presenta gran concentración de personas (5901) dedicadas a la explotación de minas y canteras, seguidas de los cantones Portovelo (1659 personas) y Zaruma (1247 personas) ubicados en la provincia de El Oro, y conocidos por su explotación en épocas precolombinas.

La capital del Ecuador, Quito y sus alrededores es una zona de alta concentración de escenarios de canteras a cielo abierto, la sociedad debe sentir la socialización y tecnificación como la ley minera enmarca, que la política minera nacional tenderá a promover en todos los niveles la innovación, la tecnología y la investigación. Facilitando el control minero a los diversos actores; sociedad, titulares mineros y de acuerdo con las competencias de la autoridad central la Agencia de Regulación y Control Minero (ARCOM) y en el marco del artículo 264 de la Constitución de la República del Ecuador, 14

autoriza a cada Gobierno Municipal el ejercer las competencias para regular, autorizar y controlar la explotación de materiales áridos y pétreos. Las morfologías irregulares de las canteras o minas denominadas de OPEN-PIT o a cielo abierto proporciona un efecto paisajístico diferenciado en el planeta tierra (Esposito et al., 2017; Xiang et al., 2018), por lo tanto, la sociedad muestra preocupación por la explotación minera y erosión.

En Ecuador aún no se ha explorado en gran medida la geomática para escenarios mineros OPEN-PIT en monitoreos continuos, razón que fortalece la necesidad de establecer herramientas de análisis espacial y metodologías especializadas.

1.2. OBJETIVO GENERAL Caracterizar un flujograma de monitoreo en un caso de estudio (Cantera al oriente de Quito-Ecuador) a partir del uso de UAV, fotogrametría aérea y geomática en trece campañas 2019-2020, para evaluar cambios geomorfológicos-volumétricos y parámetros geológico-estructurales, comprobados in situ.

1.3. OBJETIVOS ESPECÍFICOS -

Originar datos ráster de alta resolución (< 5 cm/píxel), nubes de puntos densas, mallas (3D), a partir de campañas de monitoreo aéreo-fotogramétrico en una cantera por un periodo de un año, con el uso de un vehículo aéreo no tripulado (UAV), receptor GNSS (Global Navigation Satellite System), ordenador de alto rendimiento y software fotogramétrico.

Determinar las herramientas de análisis espacial (visión y procesamiento por ordenador), para el monitoreo de cambios geomorfológicos, volumétricos y de geología estructural, aplicados a un proceso y/o flujograma en el caso de estudio.

Caracterizar las tendencias de los cambios geomorfológicos-volumétricos y parámetros geológico-estructurales de la cantera ubicada al oriente de Quito.

Discutir la precisión de los métodos empleados en la investigación y recomendar la eficacia del flujograma en otros posibles escenarios mineros.

1.4. PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN -

¿Cómo se puede monitorear una cantera a cielo abierto con geomática y bases fotogramétricas de drones, disminuyendo la exposición del personal al realizar medidas en campo?

¿Qué precisión y herramientas geomáticas de análisis espacial permiten el monitoreo de cambios geomorfológicos, volumétricos y medición de parámetros de geología estructural en una cantera a cielo abierto?

¿Cómo caracterizar las tendencias de los cambios geomorfológicos y volumétricos en una cantera a cielo abierto con geomática y excluyendo el error topográfico?

¿Cómo caracterizar las tendencias de zonificación de los cambios de geología estructural en una cantera a cielo abierto con geomática?

¿Qué perspectivas permitirían utilizar un flujograma de monitoreo en otros escenarios mineros?

1.5. HIPÓTESIS El uso del flujograma de monitoreo DoD y caracterización geológica-geomecánica con UAV en una cantera al oriente de Quito-Ecuador identifica cambios temporales en la superficie terrestre y espacialmente características geomecánicas, estableciendo más de un 50 % de eficacia del control minero en comparación con métodos tradicionales; recomendándose para otros escenarios mineros.

1.6. JUSTIFICACIÓN El Ecuador se encuentra en una topografía heterogénea donde la actividad geodinámica y los procesos de configuración paisajística son continuos. Quito, la metrópoli del Ecuador, se establece al centro norte del país, rodeada por una riqueza de yacimientos de áridos y pétreos, referente a una evolución geológica por efecto de la subducción de la placa oceánica hacia el continente que han configurado los Andes al oriente y occidente de la cuenca, la cual emplaza a la ciudad. La explosión demográfica en la ciudad y sus alrededores es inminente lo que crea la necesidad de la explotación de materiales de 16

construcción para satisfacer la demanda de edificaciones civiles, lo que se evidencia en el censo 2010 realizado por el Instituto Nacional de Estadísticas y Censos, indicando una concentración considerable de personas dedicadas a la explotación de minas y canteras en el Distrito Metropolitano de Quito o Cantón Quito (Ministerio de Minería et al., 2016), y significando una extenuante labor en el control minero. Además, se debe reflexionar que Quito está expuesto por amenazas como la actividad volcánica, sismicidad, fallas que trascurren en el territorio, fenómenos de remoción en masa, cambio climático, y actividades antropogénicas propias.

La ley minera del Ecuador incentiva el uso de la tecnología y reglamentos tipificados (Ley de Minería, 2018) en la Constitución de la República del Ecuador. Por lo tanto, se proporciona elementos de juicio para el desarrollo de la presente investigación, de forma que podría ayudar a los actores mineros tanto estatales como privados y población, al incorporar herramientas tecnológicas y metodologías del control superficial de terrenos de explotación a cielo abierto, especializando drones, GNSS, técnicas espaciales-temporales en SIG; de tal manera se ejecute prácticas que optimicen el levantar o analizar información espacial en minería a cielo abierto (canteras).

Específicamente, el escenario de caso de estudio en la cantera al oriente de Quito-Ecuador posee las condiciones geológicas y actividad extractiva tecnificada en curso para aplicar la presente investigación. Considerando que al obtener un flujograma de monitoreo cuyas herramientas de análisis geomático, visualización de productos 3D y escalas detalladas proporcionen un apoyo en el ordenamiento, diseño y gestión preventiva de las operaciones en cantera. Por consiguiente, la metodología propuesta puede ser proyectiva a otras áreas mineras en el cantón Quito y el país.

1.7. ALCANCE La presente investigación pretende desarrollar un flujograma de monitoreo que detecte los cambios geomorfológicos-volumétricos y elementos geológico estructurales en una superficie minera alrededor de 20 hectáreas, ubicada al oriente de Quito-Ecuador (cantera cielo abierto), aplicando herramientas de análisis espacial y temporal (geomática), a través de información primaria obtenida en 13 campañas de campo en años 2019-2020 con

levantamientos mediante un drone-liviano de sensor RGB, receptor de constelaciones satelitales y procesamiento en ordenador de alto rendimiento.

La investigación en el análisis espaciotemporal de la cantera manejará información primaria en 90% levantada a escalas menores a 1:500 (resolución < 5 cm/píxel), detallándose con capas raster y vectoriales las cuales se resumen en ortofotografías, nubes de puntos densas, modelos de malla (3D), modelos texturizados (3D), modelos digitales de elevación (DEM), clasificación de puntos para modelos digitales del terreno (DTM) e información secundaria recopilada.

Finalmente, para el análisis de los datos, se establece un flujograma de monitoreo de cantera, donde, en correspondencia a la aplicación y experimentación de geomática en el caso de estudio, beneficiará al control minero; originando una metodología proyectable en otros escenarios relacionados. Así, vincula a los actores mineros al innovar en el país conforme el beneficio de la sociedad ecuatoriana y porque no en otras latitudes.

2. REVISIÓN DE LITERATURA 2.1. MARCO TEÓRICO En esta sección se desarrolla la teoría, contextualizando las definiciones y parámetros a usar en relación con la investigación.

2.1.1. Minería y control minero La minería es una industria dedicada a la explotación de yacimientos metálicos y no metálicos (UNEP et al., 2016), proyectándose en una actividad extractiva dinámica de acuerdo al aumento de la población mundial, cambios en los patrones de consumo y avance tecnológico (Addison y Roe, 2018; UNEP et al., 2016), lo que define variaciones en la extracción doméstica de minerales (Figura 1). Pero antes de seguir adelante, se considera diferentes tipos de métodos de minado, por ejemplo, a cielo abierto (López Aburto, 2013) cuando la morfología superficial es alterada en un gran porcentaje, mientras que

subterráneo y combinado (Flores y Catalan, 2019), el impacto paisajístico o

geomorfológico puede ser menor.

Figura 1. Mundo: extracción doméstica de minerales metálicos y no metálicos, años: 1970-2010, minerales no metálicos (de construcción) son explotados en gran volumen. Fuente: Adaptado de UNEP et al. (2016).

Varios estudios fortalecen la inquietud en el incremento de actividades mineras no solo referente a los efectos al medio ambiente, sino considerando el prevenir, identificar, medir, evaluar y controlar los riesgos del trabajo (Castillo Pérez, 2014). Igualmente, Kaihuan y Fuchuan (2012) mencionan modelos intrínsecos para fortalecer la prevención e inspección en minas a cielo abierto, lo que coincide con el Programa Internacional para el Mejoramiento de las Condiciones y Medio Ambiente de Trabajo (PIACT) en «hacer más humano el trabajo» en las diversas actividades económicas (OIT, 1991), y de igual manera la Organización Internacional del Trabajo (OIT) que precede al documento Seguridad y Salud en Minas a Cielo Abierto. Además, conviene distinguir que OIT (1991, p. 9) considera que en cada sector de la mina donde se efectúe acciones, la inspección es fundamental en las condiciones de seguridad de todos los frentes de trabajo, paredes, bancos y taludes, así también la ejecución de toda obra correctora.

Por otro lado, los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas consisten en 17 objetivos (Figura 2), que protagonizan un esquema transcendental de la actividad minera en el mundo, con desafíos del control, gobernanza y políticas para estratégicas temáticas en cada país (CCSI et al., 2016), y consecuentemente a Ecuador.

Figura 2. Esferas temáticas en la minería. Fuente: CCSI et al. (2016).

La Constitución de la República del Ecuador et al. (2018) con una estructura institucional jerárquica de diversas instituciones públicas técnicas-administrativas que facultan la vigilancia, auditoría e intervención estatal del control de las fases de la actividad minera. Además, pronuncia que el Ecuador mantiene domino sobre minas y yacimientos, siendo propiedad inalienable, imprescriptible, inembargable e irrenunciable del Estado los recursos naturales no renovables; y que los actores mineros se deben a las leyes.

2.1.2. Canteras La explotación de rocas naturales es relevante en la historia de la humanidad ante la necesidad de utensilios y construir obras civiles (Damas-Molla et al., 2011). El diseño de minado caracteriza una serie de etapas técnicas con relación a las múltiples facetas y objetivos, conforme el método de explotación, el dimensionamiento geométrico de la mina, la determinación del ritmo anual de producción y otros (Herrera Herbert y Pla Ortiz de Urbina, 2006). El método de cielo abierto (Open-Pit) se caracteriza por remover grandes volúmenes de materiales, y el tipo de control o tratamiento es constante debido a la extracción en cada nivel topográfico, estructurando bancos y desfase entre sí (Figura 3), a fin de disponer accesibilidad al operar trasporte y equipos.

Figura 3. Explotación de cantera de áridos. Fuente: Herrera Herbert y Pla Ortiz de Urbina (2006).

La cantera hace referencia a un área geomorfológica conocida dentro de explotaciones de rocas industriales, ornamentales y de materiales de construcción (Herrera Herbert y Pla Ortiz de Urbina, 2006). Además, la Constitución de la República del Ecuador et al. (2012) define el término como un depósito de materiales de construcción, o macizo constituido por varios tipos de rocas descubiertas a cielo abierto.

2.1.2.1. Elementos geomorfológicos La geomorfología es una ciencia que data un discurso sobre las formas de la tierra, con el estudio genético de las formas topográficas y procesos endógenos y exógenos de la Tierra, 21

agregando los efectos antropogénicos en el paisaje (Villota, 2005; Huggett, 2011). De acuerdo con la definición, las condiciones y control geomorfológico de una cantera pueden derivar en dos grupos elementales del entender cómo se encuentra la configuración geométrica y el realizar la caracterización geomorfológica. En esta última, como menciona Villota (2005), son relevantes los factores de génesis geológica y agentes modeladores (estructurales, climáticos, vegetación, y otros). Consecuentemente la configuración geométrica de las canteras o minas a cielo abierto registra diferentes tipos de relieves, los cuales como dice Herrera Herbert (2007) y Sosa (1989) son efectos del diseño de mina por las maniobras propias de la explotación (ver Figura 4).

Figura 4. Canteras y explotaciones para áridos. Fuente: Adaptado de Herrera Herbert (2007).

Herrera Herbert (2007) y Sosa (1989) caracterizan las partes de una superficie a cielo abierto y desarrollan las definiciones del caso, con rasgos notables desde la profundidad de cantera hasta el ángulo de reposo donde el talud final mantiene la estabilidad evitando la caída de materiales sueltos. Además, varios elementos como son: límites finales (área que liquida la cantera), banco (escalón entre dos niveles), talud de trabajo (superficie inclinada provisional de la excavación), talud de banco, bermas, pistas, etc.

La discusión sobre los paisajes antropogénicos (canteras y otros) es evidente donde los procesos naturales no son los únicos al modelar la superficie terrestre, e incluso se formula un nuevo periodo geológico Antropoceno, como mencionan Cai et al. (2011). Claramente se fortalece la idea de algunos autores (Huggett, 2011; Villota, 2005), considerando la

actividad humana en la definición de geomorfología, y trasladándose al forzamiento geomorfológico (Cao et al., 2020), que es desarrollado en escenarios mineros (Haas et al., 2016; Xiang et al., 2018) donde las investigaciones enfocan una escala local y menos cualitativo. Así se faculta cálculos numéricos en el espacio-tiempo para caracterizar los factores de variación en un paisaje antropogénico-minero, instaurando variaciones de alturas, pendientes, dirección de pendientes, cambios volumétricos y otros. Según el contexto tradicional y moderno de la geomorfología en los diferentes autores y estudios puntuales se detalla los elementos que podrían ser proyectados para caracterizar paisajes y/o relieves de canteras, en la tabla 1.

Tabla 1. Elementos de caracterización geomorfológica para canteras. Elementos Geológicos

Detalle Composición litológica y génesis, detalle de la tectónica, paisajes y relieves naturales, y elementos geológico-estructurales locales.

Morfoclimáticos Morfométricos

Clima, humedad, precipitación, procesos de meteorización y otros. La cuantificación de la variación de la altura, volumen, pendientes, dirección de los taludes y otros. (Relación con elementos geométricos).

Fuente: Adaptada de conceptos de Cao et al. (2020), Haas et al. (2016), Huggett (2011), Sosa (1989), Villota (2005) y Xiang et al. (2018).

2.1.2.2. Geología estructural y geomecánica La geología estructural es una rama de las ciencias de la Tierra, que busca identificar las estructuras, que según Oyarzún (2009) son rasgos o elementos físico-geométricos mayores representados en rocas, sedimentos y suelos, destacándose diversas deformaciones (pliegues), planos de estratificación, discordancias, diaclasas, fallas, etc., mostrando las condiciones de origen. Las estructuras pueden definirse en diversas escalas y mediciones (Mukherjee, 2015), de los relieves que descubren las formaciones geológicas, lo cual evidencia el uso de orientación espacial y ubicación de las estructuras, consecuentemente usado en análisis diversos, por ejemplo, al determinar las características geomecánicas o geotécnicas de un macizo rocoso, propias de la ingeniería geológica, como mencionan González de Vallejo et al. (2002), y puntualmente en canteras al desarrollar la ingeniería de taludes (Ramírez Oyanguren y Alejano Monge, 2004), en efecto al buscar soluciones a los problemas de la interacción entre el terreno y la explotación de materiales.

En canteras que presentan macizos rocosos es trascendental mantener taludes estables, aspecto que está en función de la calidad de la roca, cuya determinación depende de diversas mediciones geológico-estructurales, y parámetros geomecánicos calculados (Tomás et al., 2006), se hace significativo no solamente en el proceso de explotación, sino también en la liquidación de canteras como muestran Caizaluisa Jácome y Criollo Andagoya (2015). Por otro lado, la innovación para caracterizar los relieves de taludes y laderas se acoge a parámetros geomecánicos determinados en bases fotogramétricas con métodos no tradicionales (Alameda-Hernández et al., 2019; Buyer y Schubert, 2016; Cepeda Naula, 2017; Merino Ruiz, 2017), siguiendo la tendencia de estudios como el de Viana (2015). Además, el contexto de Barton et al. (1974), Bieniawski (1973, 1989), González de Vallejo et al. (2002), ISRM (1981) y Palmstrom (2005) profundiza que la caracterización geomecánica superficial de afloramientos (macizos rocosos) implica el análisis de las discontinuidades para definir la calidad de la roca, considerando intrínsecamente los factores físico-químico-mecánico relacionados en laboratorio, así definiendo: -

Discontinuidades

Las discontinuidades son superficies de debilidad que desarrollan la condición de resistencia del macizo rocoso anisótropo (diaclasas, fallas, planos de estratificación, etc.), definición adaptada de González de Vallejo et al. (2002).

Figura 5. a) Representación esquemática de las propiedades de las discontinuidades que condicionan el comportamiento mecánico (rugosidad, apertura, relleno, orientación, y otros) y b) ejemplo de discontinuidad con apertura representativa. Fuente: Adaptado de González de Vallejo et al. (2002).

Las propiedades de las discontinuidades previstas en la Figura 5, según Ramírez Oyanguren y Alejano Monge (2004, p. 185), se denominan caracteres geomecánicos de las 24

discontinuidades, y en Merino Ruiz (2017) algunas de ellas pueden ser medibles en bases fotogramétricas, las cuales despliegan diferente significado (Tabla 2). Tabla 2. Propiedades de discontinuidades. Propiedad y Figuras -

Detalle

Orientación

a) Dirección de buzamiento (dirección de la línea de máxima pendiente del plano de discontinuidad respecto al norte) y por su buzamiento (inclinación respecto a la horizontal de dicha línea). b, c) La orientación medida con brújula identifica los sets de discontinuidades, es decir grupos de discontinuidades que se encuentran en similares direcciones (familias). Estas familias condicionan la inestabilidad y rotura de un talud o macizo rocoso.

Espaciado

Continuidad o Persistencia

La distancia de un conjunto de discontinuidades subparalelas entre sí, de un mismo set de familias. Este factor influye en el tamaño de los bloques que componen el macizo rocoso y por tanto infiere en el comportamiento mecánico que podría tener el mismo. Nota: en campo se hace complejo seguir las trazas de las discontinuidades perpendicularmente, por lo tanto, se usa fórmulas de corrección. Según ISRM (1981), un espaciado < 20 mm es extremadamente cerrado y > 6000 mm es extremadamente abierto.

Es la extensión o tamaño de las discontinuidades que siguen la longitud de la traza en la superficie expuesta. Nota: según ISRM (1981) una continuidad muy baja es < 1m y muy alta >20m.

Tamaño de bloque

Indicador que es determinado por el número de familias, el espaciado de las discontinuidades y su tamaño en 1m3 muestreado. Nota: según Palmstrom (2005)

clasifica como bloques considerablemente grandes cuando el índice Jv 3 (discontinuidades/m ) es <0.3 y el otro extremo cuando son bloques considerablemente pequeños es >100. Y en Palmstrom (2005) hace una correlación entre tamaño de bloque y el RQD (Rock Quality Designation) o calidad de la roca. Además, ISRM (1981) considera conceptos para el conteo de aristas en 1m3 (Jv).

Apertura

Relleno

Rugosidad

Estas propiedades, según Merino Ruiz (2017), son de difícil medición en bases fotogramétricas, por su detalle en microescalas. Y se define a) la apertura como la dimensión que separa las paredes de la discontinuidad y b) el relleno el material contenido, además, c) la rugosidad es la sinuosidad del perfil que presenta el plano de la discontinuidad.

Fuente: imágenes y contexto adaptado de Echeveste (2018), González de Vallejo et al. (2002), ISRM (1981), Merino Ruiz (2017), Palmstrom (2005), Ramírez Oyanguren y Alejano Monge (2004).

Adicionalmente, influye en la calidad de roca de acuerdo con su origen, las filtraciones de agua y el grado de meteorización, el cual se refiere, en Ramírez Oyanguren y Alejano Monge (2004), a las modificaciones experimentadas en su composición o estructura por la acción de los agentes atmosféricos. Finalmente, Bieniawski (1973) describe el RMR (Rock Mass Rating), y configura una relación con varios elementos, tales como: resistencia uniaxial, RQD (Rock Quality Designation) y los parámetros descritos en la Tabla 2, resultando una clasificación geomecánica y la posible situación de estabilidad del talud.

2.1.3. Fotogrametría aérea y UAV La Sociedad Americana de Fotogrametría y Teledetección (ASPRS) establece a la Fotogrametría “El arte, ciencia y tecnología para la obtención de medidas fiables de objetos físicos y su entorno a través de grabación, medida e interpretación de imágenes y patrones de energía electromagnética radiante y otros fenómenos” (Echeveste, 2018, p. 144). Charles Wheatstone en 1849 comprueba la visión estereoscópica de pares fotográficos y años más tarde el arquitecto alemán Albrecht define a la fotogrametría en 26

medidas de modelos 3D (Uzal, 2013). Los pasos de la fotogrametría por la historia han relevado nuevas tecnologías desde lo analógico a lo analítico y finalmente en un esquema digital (Noboa, 2019). La fotogrametría aérea se ha reinventado, actualizando las plataformas de adquisición de datos con sistemas satelitales, avionetas y drones, de tal forma mejorando los productos cartográficos, y en caso de UAVs (Vehículos Aéreos No Tripulados), como menciona Cepeda Naula (2017), el mercado civil y aplicaciones se encuentra en auge.

2.1.3.1. Espectro electromagnético y sensores El ser humano reconoce la forma y percepción del color en el entorno, al igual que las imágenes digitales resultantes de uso de sensores remotos (o cámaras). Este fenómeno se debe a la radiación electromagnética y la interacción con la materia, donde las partículas cargadas eléctricamente producen alteraciones en los campos eléctricos-magnéticos, generando ondas (Olaya, 2014), diferenciándose el espectro de luz visible que manejan los sensores-imagen de drones para captar una fotografía (Figura 6).

Figura 6. Espectro electromagnético. Fuente: Modificado y adaptado de González (2010).

En fotogrametría, existen varios tipos de sensores remotos (instrumentos para captar información de un objeto a distancia), por consiguiente ERDAS (2010) define como el sensor pasivo aquel que solo recibe la radiación emitida naturalmente por los objetivos, mientras que el sensor activo emite una ráfaga de radiación coherente reflejada desde el objetivo. De esta manera, la respuesta es directa a la substancian, lo que representa una firma espectral, en respuesta a la radiación natural o artificial (Figura 7), se observa un UAV como un elemento receptor pasivo (cámara). 27

Figura 7. Sistema de radiación y firmas espectrales de minerales tipo. Fuente: Modificado y adaptado de Olaya (2014) y SEGEMAR (s. f.).

2.1.3.2. Geo-posicionamiento Es elemental para el ser humano referenciar o ubicar los objetos en la superficie terrestre y espacio (Olaya, 2014). Por lo tanto, toma relevancia la presencia de GNSS (López La Valle, 2014), que orbitan transmitiendo señales-ubicación continuas desde los años 19931994 con el lanzamiento de GPS (Sistema de Posicionamiento Global) y GLONASS (GNSS Unión Soviética), y otras constelaciones como BeiDou y Galileo (Li et al., 2015). Así, se precede los DGPS (receptores diferenciales de ubicación), para ejemplificar, se puede observar en la Figura 8 la sistemática necesaria de estos dispositivos.

Figura 8. Geoposicionamiento a partir de constelaciones satelitales, estaciones terrestre y usuarios tanto de plataformas a) aéreas como b) en superficie.

Los métodos geodésicos al obtener puntos de control siguen una sistemática de correcciones y navegaciones cinemáticas en tiempo real (Li et al., 2015), o post-proceso que, mediante datos de estaciones terrestre, se corrige los errores atmosféricos, al triangular las señales emitidas desde tiempos de llegada de los relojes atómicos en estaciones terrestres y satélites. Gracias a algunos conceptos y prácticas recogidas de Cepeda Naula (2017), Merino Ruiz (2017), Thoeni et al. (2014) y Viana (2015), se concluye que, en proyectos de fotogrametría de cualquier paisaje u objeto (taludes, canteras, ríos y otros relieves), es recomendable usar DGPS o estaciones totales, con el fin de colocar puntos de control terrestre denominados “GCPs” para garantizar la ubicación, nivelación y geometría del levantamiento.

2.1.3.3. Algoritmos y métodos digitales Los diversos algoritmos y métodos en la fotogrametría computarizada se traducen en la estructura de movimiento (SfM), vista múltiple (MVS), SIFT (The Scale Invariant Feature Transform), y entre otros factores dependientes de la coincidencia como colinealidad entre fotogramas (Cepeda Naula, 2017; ERDAS, 2010; Micheletti et al., 2015; Westoby et al., 2012). Las fotografías adquiridas y el geoposicionamiento previsto hace que cualquier objeto en el espacio pueda ser reconstruido con ordenadores capaces de portar motores de búsqueda y rastreo de coincidencias en las fotografías, así como relaciona Lowe (1999, 2004) donde los algoritmos asemejan a la corteza cerebral del ser humano que permite entender el mundo en tres dimensiones (Figura 9).

Figura 9. a) Colinealidad – haces perspectivos y b) Origen de los puntos de coincidencia en el espacio a partir de haces perspectivos.

Las formulaciones de colinealidad hacen referencia a uso más ligado de plataformas aéreas, ajustando fórmulas matemáticas que integran los índices de cámaras y la colinealidad de haces perspectivos (Tabla 3). Tabla 3. Ecuación de colinealidad. Relaciona la cámara-sensor, imagen y tierra. Por definición en la misma recta, se encuentra el vector imagen O-p y vector tierra O-P - Vector O a p = a - Vector O a P = A - Los vectores a y A son colineales sólo si uno es múltiplo escalar del otro.

Fuente: Adaptado de Cepeda Naula (2017).

2.1.3.4. Adquisición de datos, escala y plan de vuelo en minas El mercado civil de vehículos aéreos no tripulados (UAV) o conocidos como drones se han constituido en una herramienta potencial con la finalidad de facilitar mayor densidad de datos y realce a proyectos de cartografía en minas (por ejemplo, Xiang et al., 2018), donde se efectúa el uso de UAV, sistemas GPS de navegación y reconstrucción fotogramétrica generando modelos digitales del terreno. Además, el detalle de los productos fotogramétricos hace referencia al GSD (Ground Sample Distance, Figura 10) como la resolución o específicamente la distancia entre centros de pixeles proyectados a tierra.

Donde: TA = tamaño real del ancho de sensor (mm), UAV-liviano es 6.317 mm. FR = longitud focal real (mm). UAVliviano es 3.651 mm. H = altura de vuelo (m). DA = distancia cubierta en tierra por el ancho de un fotograma tomado desde UAV (m). F35 = 35 mm (considera la distancia focal equivalente), UAV-liviano es 20 mm. ImA0 = ancho de imagen (pixel), UAVliviano es 4000 pixel. GSD = GSD esperado (cm/pixel). (Phantom 4)

Figura 10. Ground Sample Distance (GSD). Adaptado de Cepeda Naula (2017) y modificado de Kakaes et al. (2015) y PIX4D (2017). Nota: El ejemplo numérico caracteriza al sensor remoto de un UAV específico.

En estudios específicos como el de Lee y Sung (2016) demuestran control de calidad fotogramétrico en los productos de los UAVs, y relaciones entre la altura de sobrevuelo del sensor. Igualmente, en Cepeda Naula (2017) y Kakaes et al. (2015) se menciona factores como la distancia focal, sensor-pixeles, forma de obturar en relación con el tiempo de exposición que posee cada sensor de imagen, solapamientos entre fotogramas, etc., considerando detalles al relacionar el GSD con la escala del levantamiento-morfologíaobjetivo a mapear, y específicamente en Cepeda Naula (2017) según experimentación la resolución versus atura son relativamente proporcionales (R2 de 0,98). Además menciona que el UAV puede trabajar a escalas grandes de acuerdo a la resolución GSD, para así recocer y/o mapear a detalle los objetos espaciales (Tabla 4). Tabla 4. Escalas experimentadas de cartografiado en los productos fotogramétricos conforme al GSD. GSD (cm/pixel)

0,4

Escala Estándar

< 1:100

1:100 - 1:200

1:200 - 1:300

1:300 - 1:400

1:500 - 1:600

Fuente: Cepeda Naula (2017).

En general el plan de sobrevuelo se establece directamente al GSD, solapamiento frontallateral y tipo de morfología a mapear (Figura 11). Por lo tanto, antes de desarrollar cualquier investigación con UAV es necesario preparar las líneas de sobrevuelo del UAV.

Figura 11. Solapamiento de fotogramas, en cantera.

Las ecuaciones y términos más relevantes para el cálculo del solapamiento son: 31

Tabla 5. Fórmulas para solapamiento de UAVs. Donde: ImA1 = altura de imagen (pixel), UAV-liviano es 3000 pixel (Phantom 4). V = velocidad de crucero (m/s) UAV. Sf = solapamiento frontal (%/100). Sl = solapamiento lateral (%/100). Tf = tiempo entre tomas (s). Tl = tiempo entre líneas (s). Xf = distancia entre tomas (m). Xl = distancia entre líneas de vuelo (m).

Fuente: (Cepeda Naula, 2017; PIX4D, 2017).

En relieves inclinados con pendientes fuertes, se aplica el mismo sistema de solapamiento, pero se configura el gimbal (cámara del UAV) con respecto a la horizontal y la cara frontal del relieve. En este caso las líneas de vuelo serán paralelas a la dirección de la pendiente, apilándose conforme aumente la altura de vuelo (H) del UAV (Cepeda Naula, 2017).

2.2. MARCO METODOLÓGICO La metodología a emplear en el presente documento parte del sentido de lo espacial, como mencionan Montello y Freundschuh (1995), donde instaura la idea del qué y cómo piensan las personas sobre el espacio geográfico, que dependerá del conocimiento de las propiedades de ese espacio, de los objetos y eventos ocurridos o por manifestarse (tiempo). Así, se configura la geomática y por ende los Sistemas de Información Geográfica (SIG) que han marcado un hito en el papel de decisiones y planificación en las diferentes ramas científicas y habituales del ser humano con herramientas y software, por ello Olaya (2014) también alude que el 70 % de información manejada globalmente ya posee características espaciales de ubicación y otras propiedades.

Consecuentemente, el dominio del análisis temporal está recibiendo atención creciente en “GIScience” con una evolución desde casi cinco décadas (James et al., 2012), en tal sentido se fortalece el uso de UAVs o drones para diversos estudios multidisciplinarios, así también relacionados a geociencias (Fernández-Lozano et al., 2016) y en la actividad antropogénica-minera (Xiang et al., 2018). De esta manera se examina a continuación la teoría referente a los métodos, procesos y algoritmos para realizar medidas en las bases fotogramétricas, que cumplan con los objetivos de la presente investigación. Inicialmente se pone en contexto el escenario a estudiar, es el caso de materiales pétreos (canteras) y los diversos atributos relacionados a la explotación. 32

2.2.1. Materiales pétreos La explotación de materiales de construcción continua en incremento a nivel mundial (UNEP et al., 2016), facultando que las canteras sean objetivos de monitoreo cada vez más tecnificado, a través de estudios especializados no solo geomorfológicos sino en análisis geomecánico. Los materiales explotados generalmente provienen de rocas cristalizadas en superficie o erosionadas hasta encontrarse generalmente descubiertas en forma de yacimientos naturales. Para utilizar tales recursos naturales en las diversas industrias y principalmente en la construcción, se deben a un proceso de seleccionado-clasificado y pruebas de laboratorio. El proceso para realizar la explotación está relacionado a criterios de diseños de excavación y tecnificación en voladuras, como también la planta de manufactura donde permiten alcanzar las producciones programadas de forma eficiente, segura y rentable. Los elementos geométricos de la cantera u open-pit configuran el diseño de tal manera que la magnitud de la producción se correlaciona con el mismo, y el establecer buenas prácticas profesionales de acuerdo con la legislación minera y el avance tecnológico, constituirán el soporte esencial en este proceso.

Es posible mantener un control de estabilidad y sustentabilidad del diseño en las áreas de aprovechamiento a cielo abierto, fortaleciendo que el plan de diseño inicial se cumpla o se reconcilie entre planificación y ejecución. Varios casos de estudios relacionados al diseño de operaciones y cierre para canteras en Ecuador (Caizaluisa Jácome y Criollo Andagoya, 2015; Ortiz, 2019) mencionan del control y evaluación de la estabilidad de taludes mediante geomecánica y topografía, con visualización de grietas y zonas de deslizamiento, igualmente. Por ejemplo en Cuba hace la necesidad de realizar procesos con monitoreo físico de las canteras, e incluso creando algoritmos organizacionales para el cierre de canteras (Montero Matos et al., 2017), sin duda las tecnologías aero-portadas (UAVs) pueden optimizar los procesos de monitoreo.

2.2.2. Flujo de análisis La información manipulada en un SIG es a su vez una fuente de nueva información, y solo es a través de su análisis el poder obtener beneficio de tales datos geográficos (Olaya, 2014).

En las investigaciones de análisis espacial mediante SIG, es transcendental proyectar un contexto de procesos diversos facultados en analizar correctamente los datos espaciales, a partir de realizar una pregunta, por ejemplo, ¿dónde se ubican los cambios más abruptos de superficie en una cantera a cielo abierto?, también como el conocer ¿qué tipos de datos se tiene para el análisis? (entidades 2D, 3D o modelos numéricos tipo ráster), inclusive llegando a procesos complejos como calcular, evaluar, interpretar y tomar una decisión, pero es claro que cuando las cosas no funcionan en tal sentido, posiblemente el modelo deba ajustarse (Figura 12), diversas industrias de SIG y autores mencionan los flujos en análisis espacial (Ma et al., 2016; Olaya, 2014; Vale et al., 2016).

Figura 12. Flujo de trabajo para análisis espacial. Fuente: Modificado de Ma et al. (2016) y Vale et al. (2016).

2.2.2.1. Análisis de superficies espacio temporal Las principales ramas de la geomática o SIG, conforme detectar cambios en la superficie terrestre, es la geomorfometría la cual se define como ciencia del análisis cuantitativo del relieve (Rasemann et al., 2004, p. 22), asimismo justifica la implicación y relevancia del MDE en cuanto se puede usar tal modelo numérico de elevación en una variedad amplia de análisis de superficies. El análisis espacial a partir de una secuencial en intervalos de tiempo, hacen un factor decisivo para estudios del cambio de relieve en superficies (Xiang et al., 2018).

La adquisición de DEM se ha optimizado con nuevas plataformas de levantamiento (UAVs) (Escobar Villanueva, 2020), que permiten obtener entidades espaciales mediante procesamiento fotogramétrico y post-procesamiento (ver Figura 13), de tal forma detallado el relieve del terreno, la infraestructura y vegetación, que a partir de algoritmos de clasificación de nube de puntos (Cepeda Naula, 2017; Rossi et al., 2017) se puede obtener el DTM, además de ortomosaico, nube de puntos y modelo 3D.

Figura 13. Entidades geográficas a partir de UAVs. Fuente: modificado y adaptado de Escobar Villanueva (2020); Ma et al. (2016) y Pucha (2018).

Posterior a verificar los aspectos generales de las entidades espaciales referentes a levantamientos con UAVs (Figura 13), dan veracidad que es posible usar una gran cantidad de herramientas de análisis para ser desarrolladas en escenarios mineros de tipo a cielo abierto, las cuales se pueden resumir en la Tabla 6.

Tabla 6. Herramientas de análisis de superficies.

Herramienta Matemática ráster Reclasificación ráster Superficie de ráster

Finalidad Proporciona herramientas que realizan operaciones matemáticas en datasets ráster. (Sumas, restas, etc. Entre celdas). Contiene herramientas que permiten la reclasificación de datos ráster. Determinación de las propiedades de superficie ráster, como las curvas de nivel, pendientes, orientación, sombreado y cálculo de diferencia. Determinación de las propiedades de superficie de terreno, TIN y datasets LAS

Superficie triangulada

como curvas de nivel, pendientes, orientación, sombreado, cálculo de diferencia, cálculos volumétricos y detección de valor atípico.

Detalle de herramientas bases Identifica la pendiente (gradiente o inclinación) de cada celda de un ráster.

Pendiente

Calcula la orientación de cada celda a partir de una superficie ráster. Identifica la dirección de la pendiente descendente.

Orientación

Calcula la curvatura de una superficie de ráster e incluye, opcionalmente, la curvatura del perfil y del Curvatura

plano. Curvatura = -2(D + E) * 100

Calcula el cambio de volumen entre dos superficies. ΔZ = ZAntes – ZDespués Cortar/Rellenar

Fuente: Adaptado de ESRI (s. f.).

2.2.2.2. Herramientas de cambios geomorfológicos Las funciones matemáticas en geo-morfometría avanzan a pasos agigantados originando nuevas herramientas en geomática, un aspecto clave para la investigación geomorfológica que está relacionada en el monitoreo cuantitativo del desarrollo de la superficie terrestre (Williams, 2012), lo cual evidencia el impacto en actividades antropogénicas y fenómenos erosivos naturales durante el tiempo como se constata en Chen et al. (2015), Esposito et al. (2017), Tarolli y Sofia (2016) y Xiang et al. (2018), y así mostrando cambios volumétricomorfométricos de los paisajes.

Por lo tanto, se presenta la herramienta DoD (DEM of difference) siendo un método que permite cuantificar la variación espacial de diversos fenómenos superficiales, a partir de modelos numéricos de elevación en distintas épocas, es decir el nuevo DEM y viejo DEM (Bangen y Wheaton, 2012; Williams, 2012). El script o código programable de la herramienta DoD y complementos de análisis es de fácil acceso, y se puede ajustar al SIG, con una aplicación directa al ArcMap versiones 10x denominada Geomorphic Chance Detection Software (para más información ver Riverscapes Consortium, 2020). La diferencia primaria que presenta el DoD con respecto por ejemplo a Cortar/Rellenar, es el diferenciar un threshold o umbral (error normal del método con el cual fueron levantados los DEMs multitemporales), y se desarrolla con formulaciones tales como indica Williams (2012), que, según Wheaton et al., (2010) se debe considerar el error del método de levantamiento en ± δz, o propio de los DEMs (ver Tabla 7). Tabla 7. DoD (DEM of difference). ECUACIÓN DE DoD. Inicio - Inicio δE = DEM (mosaico de cambios morfológicos) Z1 = DEM que fue medido temprano Z2 = DEM que fue medido tarde δZ = error a considerar Mínimo nivel

Usuario

- Mínimo nivel de detección (constante de umbral) La combinación de error de DoD, δUDOD que resulta de la adición o sustracción de dos DEMs (Z1 y Z2) y puede ser estimada de la raíz de la suma de errores cuadrados de cada DEM. - Umbral probabilístico utilizando un intervalo de confianza definido por el usuario Es decir, el intervalo de confianza 1σ (desviación estándar) o 68 %, t ≥ 1 y para las pruebas en el intervalo de confianza 2σ o 95 %, t ≥ 1.96.

Fuente: Adaptado de Williams (2012).

De tal forma, se aplica mínimos niveles de detección integrando los errores de cada DEM en DoD. Por otro lado, investigaciones que emplean mapas de pendientes especializados en minas a cielo abierto (Xiang et al., 2018) donde el integrar herramientas de análisis de pendientes, por ejemplo, el método SLLAC (Slope local length of autocorrelation) propuesto por Sofia et al. (2014) que busca detectar firmas antropogénicas, es decir pendientes tipos, mediante ventanas de pixeles, hace una síntesis trascendental del uso de mapas de pendientes en multi escenarios.

Caso Beijing El monitoreo de superficies mineras de tipo open-pit es posible, en Xiang et al. (2018) se evidencia al noreste de Beijing relaciones multitemporales en cambios morfométricos del terreno, donde se tasan las variaciones geomorfológicas relacionadas con las actividades extractivas en un periodo de años 2014 y 2016 a través de UAV, SfM y algoritmos (DoDSLLAC) que desarrollan una detección del tonelaje extraído y determinan las terrazas o bermas representadas por la minería a cielo abierto.

Caso Italia En otro escenario minero en Italia (Isla de Elba) se evidencia la comparativa de fotogrametría-UAV y sensores activos TLS (Terrestrial Laser Scanner), demostrando resultados aceptables de precisión en los dos casos, al establecer la tasa de erosionabilidad de las laderas de la zona minera (Haas et al., 2016).

2.2.2.3. Herramientas de cambios geológicos-estructurales La determinación del constante modelamiento de la superficie terrestre y de los elementos geológicos mediante el uso de UAV y fotogrametría es posible con resoluciones de 4 mm/pixel – 60 mm/pixel (Cepeda Naula, 2017; Merino Ruiz, 2017), contribuyendo al análisis de las diferentes morfologías identificadas en minas Open-Pit (a cielo abierto) (Beretta et al., 2019; Sayab et al., 2018; Xiang et al., 2018), laderas (Fernández et al., 2014) y drenajes. Los elementos geológicos y geomecánicos, según Buyer y Schubert (2016), Cepeda Naula (2017), Dewez et al. (2016), Duelis Viana et al. (2016), Merino Ruiz (2017), Thiele et al. (2017) y Viana (2015) son posibles medir y caracterizar en bases 38

fotogramétricas y laser (TLS) mediante algoritmos, software fotogramétricos y SIG, estableciendo el análisis espacial correspondiente (por ejemplo, Figura 14).

Figura 14. Mediciones de parámetros geológicos-geomecánicos. Fuente: Adaptado de Cepeda Naula (2017) y Merino Ruiz (2017).

De igual manera, se puede evidenciar la resolución del levantamiento, el objeto de estudio y los parámetros geológicos observados, según Cepeda Naula (2017) (Tabla 8), no solo en caracterización de discontinuidades sino tonalidad de conjunto de rocas al igual que establecen Beretta et al. (2019), además otros elementos como medición de estratos, verificar estructuras, variación de humedad en la pared rocosa, etc.

Tabla 8. Parámetros geológicos detectados con fotogrametría aérea. Lugar

GSD promedio (cm/píxel)

Objeto de estudio

Escala de Visualización mínima

Parámetros geológicos observados

Quebrada Jatunhuaico

5,95

Drenaje