reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

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Facultad de Ingeniería Ingeniería de Minas Trabajo de Investigación “Uso del Drone como alternativa para reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería” Johnny Hugo Castro Díaz- 1422100 Ericka Pfura Monterola- 1422070 Para obtener el grado académico de bachiller en: Ingeniería de Minas Asesor: Ing. PhD. Julio Hugo Lorenzo Castillo Oyola Arequipa Perú 2020

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Page 1: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Facultad de Ingeniería

Ingeniería de Minas

Trabajo de Investigación

“Uso del Drone como alternativa para

reducir el tiempo de levantamiento

topográfico en minería”

Johnny Hugo Castro Díaz- 1422100

Ericka Pfura Monterola- 1422070

Para obtener el grado académico de bachiller en:

Ingeniería de Minas

Asesor:

Ing. PhD. Julio Hugo Lorenzo Castillo Oyola

Arequipa – Perú

2020

Page 2: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

CONTENIDO

ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................. 4

INDICE DE ILUSTRACIONES ................................................................................................. 5

RESUMEN ................................................................................................................................... 6

ABSTRACT ................................................................................................................................. 7

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 8

METODOLOGÍA ......................................................................................................................... 9

Diseño de investigación ........................................................................................................ 9

Forma de búsqueda ............................................................................................................. 10

Criterios de validación de la información .......................................................................... 10

Procesamiento de datos ..................................................................................................... 10

Análisis de la información ................................................................................................... 10

BASE TEORICA ....................................................................................................................... 10

Drone...................................................................................................................................... 10

Partes de un drone............................................................................................................... 12

Topografía ............................................................................................................................. 15

Trabajos topográficos .......................................................................................................... 15

Mediciones ............................................................................................................................ 16

Toma de datos ...................................................................................................................... 16

Replanteo .............................................................................................................................. 16

Ejes del replanteo................................................................................................................. 16

Equipos Topográficos .......................................................................................................... 17

Teodolito ................................................................................................................................ 18

Estación total ........................................................................................................................ 18

Estación total topografía ..................................................................................................... 18

Marcas de estación total ..................................................................................................... 18

Tipos de estación total......................................................................................................... 19

Nivel topográfico ................................................................................................................... 19

Page 3: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

RESULTADOS .......................................................................................................................... 20

REFERENCIAS ........................................................................................................................ 21

Page 4: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 1 Tipos de drones ....................................................................................................... 12

Page 5: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

INDICE DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Ejes de replanteo ............................................................................................... 17

Page 6: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

RESUMEN

El uso del drone en minería en la actualidad es una necesidad ya que el uso y sus

aplicaciones ayudan a tener un resultados de forma rápida con respecto a otros equipos,

para poder saber qué tipo de drone utilizar es necesario realizar una investigación de

los tipos de drones, aspectos técnicos del equipo los cuales los obtenemos en los

expedientes técnicos de cada equipo, realizar una investigación profunda de este tema

ayuda a utilizar esta herramienta de forma óptima, es importante reconocer cuán

importante es la fotogrametría para el funcionamiento del drone además de comparar

este equipos con otras herramientas de topografía tradicional como una estación total.

La metodología utilizada en este proyecto se basa en la recolección de datos y la

validación de la información utilizando fuentes bibliográficas confiables además de

recurrir a investigaciones anteriores que ayudan a tener un conocimiento más amplio

del uso del drone en diferentes campos de estudio y sus ventajas.

Palabras clave: drones, topografía, minería, levantamiento, topográfico y fotogrametría.

Page 7: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

ABSTRACT

The use of the drone in mining today is a necessity because the use and its applications

help to have a result quickly with respect to other equipment, in order to know what type

of drone to use is necessary to make an investigation of the types of drones, technical

aspects of the equipment which we obtain in the technical files of each team, make a

thorough investigation of this issue helps to use this tool optimally, it is important to

recognize how important is the photogrammetry for the operation of the drone in addition

to comparing this equipment with other traditional surveying tools such as a total station.

The methodology used in this project is based on data collection and validation of

information using reliable bibliographic sources in addition to previous research that

helps to have a broader understanding of the use of the drone in different fields of study

and its advantages.

Keywords: drones, topography, mining, surveying, topography and photogrammetry.

Page 8: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

INTRODUCCIÓN

La minería es la actividad con mayor rentabilidad en el país, por ende, el uso de la

tecnología cada día es más necesario para reducir los tiempos de trabajo, mejorar el

índice de seguridad y optimizar costos operativos, la topografía es una de las actividades

necesarias y requeridas en minería y construcción, es por eso que su automatización

aumenta cada año.

Un claro ejemplo de innovación en topografía es el Drone que es utilizado para realizar

levantamientos topográficos superficiales tanto en construcción y minería.

Este equipo tiene la capacidad de realizar levantamientos topográficos utilizando la

fotogrametría como principio de funcionamiento, el uso del Drone facilita el trabajo en

áreas de difícil acceso, genera mayor cantidad de puntos de forma instantánea y hace

posible que el tiempo de trabajo sea menor comparado a una estación total digital.

En la actualidad queremos que todos los trabajos sean más rápidos y eficientes,

entonces podemos asumir que usar nuevos equipos nos puede facilitar nuestro trabajo

en campo y el conocimiento de nuevas tecnologías nos ayuda a ser profesionales con

conocimiento integral. Este proyecto de investigación plantea los siguientes objetivos.

Identificar el drone que se adapte más a las condiciones necesarias en la

prospección y exploración en minería

Realizar un acercamiento teórico de la aplicación del drone en minería.

Resumir información sobre los drones utilizados en prospección y exploración en

minera.

Describir el proceso fotogramétrico como principio de funcionamiento del Drone en

minería.

Identificar los aspectos relevantes conocidos, los desconocidos y los controvertidos

sobre los drones utilizados en la prospección y exploración minera.

Durante varios años se realizaron diferentes estudios del uso del drone y sus ventajas

en diferentes campos de estudio, podemos mencionar algunos de estos estudios como

antecedentes para nuestro proyecto de investigación.

Page 9: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Manuel Sánchez García (2017) publicó un artículo acerca del uso de los drones en

minería titulado “uso y aplicaciones de drones en minería”, este artículo tuvo como

objetivo analizar las ventajas del uso del Drone en minería y sus aplicaciones como:

prospección minería, topografía, control de operaciones mineras, seguridad y control

ambiental. El autor concluye que el uso del Drone se encuentra en pleno auge debido a

la versatilidad de este equipo para realizar múltiples tareas en el rubro minero. [1]

PwC Drone Powered Solution (2019) publicó un artículo acerca del uso de los drones

en minería titulado “Soluciones Generadas por Drones para Minería”, en este artículo

podemos encontrar información acerca de las soluciones que nos brinda el Drone, cual

es el análisis del uso de imágenes generados por el Drone y el uso de la metodología

DPS Y PwC para el uso del Drone. Esta empresa consultora concluye que el uso del

Drone es 20 veces más rápido que una estación total para realizar el mismo trabajo, se

reduce en un 91% los accidentes de trabajo y se reduce un 29% de personal para

realizar dicha actividad. [2]

Víctor Ortiz Álvarez (2020) publicó un artículo acerca del uso de los drones en minería

titulado “Los Drones, una herramienta para la Minería Inteligente”, en esta publicación

se recalca las ventajas del uso del Drone en minería y los procesos de automatización

en cuanto a la topografía además nos menciona los usos aplicativos en minería como

el cálculo volumétrico de zonas, análisis hidrológico de terrenos utilizando imágenes y

el cálculo de tonelaje en el movimiento de tierras, se concluye que el uso del Drone cada

vez es imprescindible ya que su uso es variado desde construcción hasta minería

metálica y no metálica. [3]

METODOLOGÍA

Diseño de investigación: Para el presente trabajo de investigación se realizó un

estudio sistemático de artículos técnicos enfocados en topografía y geodesia, así como

la búsqueda de información utilizando tesis que mencionan la aplicación del drone en

diferentes campos.

Page 10: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Forma de búsqueda: Inicialmente se buscó antecedentes de información relacionado

al tema utilizando tesis en repositorios de universidades reconocidos además de

artículos científicos en google académico, también se consideró buscar información en

páginas de empresas que se dedican a la venta de equipos de topografía, de estas

empresas se logró obtener el expediente técnico de cada equipo y sus características.

Estos expedientes están en inglés para lo cual se buscó herramientas de traducción y

posterior interpretación. Posterior a la recolección de la información se validó el

contenido consultando a especialistas del campo y que cuenta con la experiencia

necesaria para esta etapa de investigación, se evaluó toda la información y se filtró

según la importancia y relevancia para este proyecto.

Criterios de validación de la información: Durante la búsqueda de información se

presentaron diferentes trabajos de investigación de topografía y uso del drone, el criterio

de validación fue enfocar la búsqueda de la información de topografía minera y

aplicación del drone en minería superficial los cuales debían contar con las palabras

claves del proyecto de investigación.

Procesamiento de datos: Después de la búsqueda inicial se encontraron 40 fuentes

bibliográficas de los cuales se consideró 30 ya que contenían información relevante para

el proyecto de investigación. Para poder validar de forma rápida se leyó cada uno de los

resúmenes de los trabajos o artículos buscando información relevante para nuestro

proyecto además de verificar que respondan a nuestros objetivos.

Análisis de la información: la información procesada nos sirvió para plantear una

estructura a nuestro proyecto de investigación, esta estructura contiene los aspectos

más relevantes del tema a estudiar y además responden a los objetivos planteados

inicialmente.

BASE TEORICA

Drone

El drone es una herramienta no tripulada similar a una aeronave que funciona con un

control remoto inalámbrico. Existen diferentes tipos de drone, algunos son utilizados

Page 11: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

para minería y otros campos. [4] Tenemos diferentes clases de drones según su

funcionamiento, el tipo de control o su uso. [5]

Multirotores: Son los más comunes, comprende de varios motores que se encuentran

en el extremo del equipo, estos también se clasifican según la cantidad de motores que

poseen, por ejemplo: tricópteros, cuadricópteros, hexacópteros y octocópteros, Se

utiliza bastante por debido a su gran versatilidad y su punto negativo es la poca duración

de batería para el tiempo de vuelo, normalmente se usa para la inspección aérea de una

industria. [6]

Helicópteros: Tiene forma similar a un helicóptero normal, pero a una escala menor el

cual posee solo un motor el cual tiene una gran capacidad de carga en cuanto a su

batería, estos modelos pueden funcionar con combustible durante 1 hora de autonomía.

Estos drone son poco usados, pero son funcionales para la topografía y agricultura ya

que posee alta precisión. [7]

Ala fija: Estos drones tienen forma de aeroplano, este compuesto por el cuerpo principal

que está unido a dos alas para estabilizar y una cola para propulsar. Este drone puede

ser eléctrico o a combustión, un punto positivo es el alto tiempo de autonomía de vuelo,

pero la parte negativa es la poca versatilidad que posee, por lo tanto, solo se puede usar

en espacios amplios. [8]

En el siguiente cuadro se muestra la comparación de los diferentes tipos de drones entre

ala fija, helicóptero terrestre

Page 12: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

TABLA 1 Tipos de drones

Fuente: Drones spain, 2016 [9]

También podemos clasificar a los drones según el método de control:

• Autónomo: En este caso el drone para el vuelo no necesidad de una persona

encargada de maniobrar desde la superficie ya que estos cuentan con sensores y son

programables. [9]

• Monitorizado: En este caso el drone si necesita de una persona encargada de

controlar el equipo. [10]

Tenemos algunas tareas autónomamente.

• Pre programado: En este caso el drone vuelva según un programa de vuelo

establecido. [11]

• Controlado remotamente(R/C): El drone es controlado por un técnico especialista, este

drone es utilizado en inspección de terreno y topografía. [11]

Partes de un drone

Page 13: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Es importante saber cuáles son los componentes de un drone ya que estos nos ayudan

a tener mayor control de este equipo cuando se realiza un trabajo o mantenimiento. [12]

Marco

Es la parte principal del drone, comprende la estructura del drone, esta estructura debe

ser lo más resistente posible y a la vez ligero, normalmente se fabrica de fibra de carbón

o aluminio. [13]

Motores, hélices y variadores

Son los componentes encargados de mantener el vuelo del drone, el motor brinda

energía para que gire la hélice, los variadores generan la potencia requerida para cada

motor y las hélices hacen que el drone ascienda o descienda según su velocidad. Es

importante que el material de cada componente sea lo más ligero posible y a la vez

resistente. [14]

Controlador de vuelo

Es la parte central del drone, es aquí donde se conectan los componentes del equipo,

además aquí se procesa la señal que será enviada al drone para que este pueda realizar

su trabajo según las maniobras planeadas también está encargado de estabilizar el

drone según la posición. [15]

Radio receptor (antena)

Está encargado de recibir la señal de radio proveniente del control remoto, maniobras

realizadas con el control con codificadas con el equipo y transformado en ondas, dichas

ondas son captadas por el radio receptor los cuales esperan las instrucciones del

operador técnico. [16]

Batería:

Éste componente está encargado de almacenar la energía para el funcionamiento del

equipo, son baterías de alta calidad de litio, estas baterías tienen diferentes duraciones

los cuales dependen del modelo. [17]

GPS y brújula:

Page 14: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Este componente va vinculado al controlador el cual le brinda las coordenadas del lugar,

altitud y velocidad del trabajo, se debe mencionar que este componente hace posible

que los equipos funcionen de forma autónoma, además sirve para referenciar la posición

de las fotografías con drones que cuenta con RTK. [18]

Estabilizador:

Este componente comprende la estructura del drone en el cual va colocado la cámara

o los sensores, también está encargado de que el equipo no pierda el enfoque de trabajo

causado por la vibración del drone, en otras palabras, calibra la estabilidad de vuelo

para tener un mejor rendimiento del equipo. [19]

Cámara fotográfica/video

Este componente sirve para tomar las fotografías y posteriormente procesarlas en un

software. [20]

Sensor multi espectral:

Este sensor capta la luz infrarroja, es común que se use en la agricultura para determinar

el estado de las plantas y también estusado para evaluar recursos hídricos. [20]

Cámara infrarroja:

Este sensor se utiliza para trabajar en espacios con poca luz. [20]

Cámara termo gráfica

Es utilizado para trabajar en industrias que requieran realizar mapas de calor de equipos.

[20]

FPV (First Person View):

Este sistema sirve para ver el trabajo del equipo en tiempo real lo cual facilita el trabajo

en campo y lugares con poca accesibilidad. [20]

Emisora o equipo de tierra:

Este instrumento controla el drone de forma automática, es esta herramienta la

encargada de recibir la programación del drone los cuales son realizados utilizando

tabletas. [20]

Page 15: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Topografía

Es la ciencia que estudia los principios y procesos que tienen como objetivo plasmar de

forma gráfica la superficie terrestre según sus características geográficas, su nombre

proviene de topos que significa lugar y grafos que se refiere a descripción los cuales se

limitan de acuerdo a los terrenos, para toda representación se utiliza un sistema de

coordenadas en este, norte y la cota los cuales comprenden la planimetría y altimetría.

Todos los mapas topográficos se basan en el sistema de representación mediante

planos debidamente ubicados en el terreno los cuales comprenden las coordenadas y

las cotas, estos componentes en su conjunto forman curvas de nivel que están

representados en un plano topográfico. Existen diferentes campos en los cuales se

utiliza a la topografía como: [21]

Arquitectura

Agricultura

Minería

Geografia

Construcción civil

Entre otros.

Trabajos topográficos

La topografía esta encargada de plasmar un lugar según sus coordenadas los cuales

son dibujados en un plano para una mejor visualización. [22]

El trabajo topográfico tiene como fin exportar los puntos de un terreno a una

computadora el cual lo procesa con un software, los puntos exportados se encuentran

en un plano tridimensional ya que considera los ejes x, y, y la cota z. [22]

El levantamiento topográfico no está limitado a obtener puntos de un terreno, sino que

posee herramientas para editar presentaciones cartográficas para elaborar un plano,

estos planos contienen símbolos debidamente certificados según norma. [23]

Page 16: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Mediciones

La agrimensura utiliza distintos elementos para la medición como: el agrimensor, flexo,

cinta métrica y el podómetro. [24]

Para un levantamiento topográfico en cuanto a las coordenadas no se utiliza un sistema

cartesiano en tres dimensiones, lo que se usa son coordenadas esféricas que nos sirven

de base para obtener coordenadas cartesianas. [24]

Es por eso que necesitamos saber los ángulos tangentes y la distancia, existen diversos

instrumentos que permiten obtener estos ángulos como una estación total digital. Para

medir distancias existen dos métodos: la distanciometría que es usada por el taquímetro

y la estadimétrica el cual es usado por una estación total por lo tanto es más precisa.

Actualmente se combina el uso del GPS con la estación total. [24]

Toma de datos

En la actualidad la metodología más usada para la recolección de datos se basa en el

uso de la estación total con el cual se obtiene ángulos horizontales, verticales y las

distancias. Si tenemos las coordenadas de un terreno es posible realizar una simulación

o elaborar un plano tridimensional el cual facilita el cálculo del área e irregularidades de

la superficie según la ubicación de los puntos. [25]

En topografía el método de replanteo está siendo sustituido por el uso del GPS, pero el

uso del GPS está limitado según al terreno en el cual se trabaja, si trabajamos en labores

subterráneas el uso del GPS no tiene beneficio ya que no tiene cobertura, pero si

trabajamos en superficie se puede tener mejores resultados con el uso del GPS. [25]

Replanteo

Con respecto al replanteo podemos decir que es un proceso diferente a la toma de

datos, este método consiste en plasmar un terreno según el plano, este método utiliza

puntos guía para su levantamiento, este método se utiliza en minería subterránea. [26]

Ejes del replanteo

Los ejes que se necesitan para realizar el replanteo son:

Page 17: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Eje horizontal y vertical

Cota

Ángulo de rotación

Ilustración 1 Ejes de replanteo

Fuente: Mundo geo

Equipos Topográficos

La automatización de los equipos de topografía ocurre de forma rápida en las dos

últimas décadas, hasta la década de los 80 los taquímetros, teodolitos y las brújulas

eran parte fundamental de la topografía. [27]

Los instrumentos ópticos que se usan para medir ángulos y distancias se basan en giros

y movimientos circulares graduados los cuales son captados por un lente mediante el

visor del equipo. [27]

Estas herramientas combinadas con herramientas auxiliares no tenían gran alcance de

trabajo y la precisión no era la adecuada. [27]

En los años 80 se crearon instrumentos que se acoplaban a los taquímetros, estos

equipos auxiliares tenían como principio de funcionamiento la emisión y recepción de

ondas electro-magnéticas, estas ondas se procesan en el equipo y nos dan la distancia

de dicha emisión en km. [27]

Page 18: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Teodolito

El teodolito es el equipo topográfico que tiene un sistema óptico mecánico que es capaz

de medir ángulos verticales y horizontales, este equipo brinda una buena precisión para

la medida de ángulos. [28]

Estos equipos pueden ser ópticos o electrónicos que se utilización para medir distancias

y representan ángulos. [28]

Estación total

La estación total incorpora programas internos que almacenan datos, replanteos entre

otros, además cuentan con sistemas compatibles para transferir toda la información

recolectada a los ordena con mayor rapidez. [29]

Estación total topografía

Para los equipos de topografía es frecuente la necesidad de realizar una comparación

entre cada uno de estos según el tipo y el modelo, cada marca cuenta con diferentes

sistemas de procesamiento, pero cumplen la misma función. [29]

Marcas de estación total

Topcon: Las estaciones totales Topcon tienen un gran reconocimiento en la

topografía por el precio de los equipos.

Sokkia: Son equipos buenos, pero no tienen el reconocimiento en el rubro, se

considera a estos equipos intermedios tanto en calidad-precio.

Leica: Esta marca tiene mayor reconocimiento en el rubro minero ya que tiene un

buen rendimiento de trabajo.

Nikon: Es una marca poco reconocida, pero sin duda el lente que utiliza es de los

mejores del mercado

Trimble: Es una marca poco reconocida, pero cuenta con diferentes tipos de equipos

a un precio accesible.

Page 19: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

Tipos de estación total

Existen tres tipos de estación total que se diferencian por la tecnología que usa cada

una de ellas: [29]

Convencional: Se le conoce también como estación total electrónica, este equipo

cuenta con prismas reflectantes que se usan en conjunto, uno de los aspectos

negativos es que no se puede usar en zonas con presencia de lluvias. [29]

Este tipo de estación total cuenta con un GPS para su funcionamiento, posee gran

versatilidad en superficie ya que puede funcionar de forma autónoma mediante una

programación, el punto negativo de este equipo es que no funciona en terrenos que

cuentan con poca señal o en obras subterráneas. [29]

Robótica: Este tipo de estación total es la más completa porque miden a gran

distancia y con gran precisión además de captar imágenes, otro factor importante es

que son fáciles de transportar por el poco peso que tienen y su resistencia es de las

mejores. [29]

Nivel topográfico

Son equipos de topografías que miden de forma directa la diferencia de altura entre

puntos y desniveles. Clasificación: [30]

Niveles de plano: Este equipo funciona de acuerdo al giro de su eje principal

Niveles de línea: para este tipo de nivel es necesario ubicar el equipo cada vez que

se cambia de punto. [30]

Nivel automático: este equipo se utiliza de forma automática en terrenos que

requieran un levantamiento topográfico horizontal. [30]

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RESULTADOS

Después de comparar los diferentes tipos de drone que existen se concluye que el drone

multirrotor con RTK se adapta mejor a la minería superficial por la versatilidad que posee

además de contar con un GPS el cual ayuda a funcionar de forma autónoma.

Realizar una evaluación de información de los diferentes tipos de drones ayudan obtener

una visión más amplia acerca este equipo ya que identificamos los tipos y los campos

en los cuales podemos utilizarlos de forma óptima.

Los procesos de recolección de información de los drones en minería nos ayudan a

determinar qué tipo de drone se ajusta mejor a la necesidad para un trabajo determinado

en minería.

Saber el contenido de la ficha técnica de cada drone nos ayuda a determinar las

características principales de este equipo para usarlo de forma adecuada y tener

resultados positivos en un levantamiento topográfico y no cometer errores de manipuleo

y mala programación.

Page 21: reducir el tiempo de levantamiento topográfico en minería”

REFERENCIAS

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https://www.todrone.com/tag/ala-fija/. [Último acceso: 2020].

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replanteo-topografico. [Último acceso: 2020].

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https://geobax.com/topografia/equipos-de-topografia/.

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[30] topcon, diciembre 2020. [En línea]. Available: https://www.topconpositioning.com/es/.