El uso de nuevas tecnologías en la construcción de cartas... estudios de vialidad técnica que analicen las informaciones prestadas por...

Construcción de Cartas Topográficas
Con empleo de Pares Estereoscópicos de Sensores Orbítales de Alta Resolución
El uso de nuevas tecnologías en la construcción de cartas topográficas exige la realización de
estudios de vialidad técnica que analicen las informaciones prestadas por los fabricantes de los
sensores imágenes. El presente estudio tuvo por finalidad evaluar el uso de pares de imágenes
estereoscópicas, oriundas del sensor orbital Ikonos, con resolución geométrica de 1 metros, en
la construcción de cartas topográficas del mapeo sistemático brasileño.
Él fue realizado por el equipo técnico de la 5ª División de Levantamiento, unidad de la
Dirección de Servicio Geográfico responsable por la ejecución del mareamiento sistemático de
la región Sudeste, los años de 2003 y 2004. Fueron construidas dos hojas del mapeamento
sistemático, de la serie 1/25.000, que fueron clasificadas de acuerdo con los respectivos
patrones de exactitud cartográfico previstos en las Normas Técnicas de la Cartografía
Brasileña. Los resultados de ese estudio son presentados en ese artículo.
1.- Introducción
El desarrollo de nuevos instrumentos de imagen, capaces de generar imágenes de alta
resolución, viene permitiendo que la fotogrametría utilice nuevas tecnologías, capaces de
proporcionar un avance en la calidad de las cartas topográficas construidas.
A pesar de que el ordenador fue inventado en los años 40, solamente a mediados de la década
de los 90 es que la fotogrametría pasó a utilizar llenamente los recursos proporcionados por la
informática, con la disponibilidad en el mercado de las primeras estaciones fotogramétricas
digitales, que permitieron la integración de todo el ambiente fotogramétrico en los sistemas
computacionales.
De allá para hacia acá, los antiguos sistemas analógicos viene perdiendo cada vez más
espacio, siendo, los días de hoy, muy poco empleados en las líneas de producción de cartas
topográficas de los grandes órganos y empresas productoras de cartografía en Brasil.
El presente artículo tiene por objetivo presentar los resultados alcanzados en la evaluación de
cartas topográficas del mareamiento sistemático brasileño construidas con empleo de pares
estereoscópicos orbítales del sensor Ikonos.
2.- Imágenes utilizadas
Las imágenes utilizadas en ese estudio son las referentes al producto Referente Stereo 1 metro
Color, con resolución geométrica de 1 m y radiométrica de 11 bits.
La franja de recubrimiento del satélite Ikonos es de 11 km de anchura, en órbitas con
inclinación de aproximadamente 9 grados en relación al Nadir.
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Construcción de Cartas Topográficas
Para construir los modelos, el satélite Ikonos utiliza la técnica de imágenes avance-reverso,
que permite la obtención de pares estereoscópicos en un único pasaje. Además de la
posibilidad de visualización inclinada avance-reverso, el satélite Ikonos puede obtener
imágenes en visada lateral. Para optimizar el proceso de correlación las imágenes obtenidas
son mostradas según la geometría epipolar, garantizando que el desplazamiento debido al
relieve se concentra en sólo una dirección.
El georreferenciamento de las imágenes utiliza el ajuste polinomial (RPC), cuya precisión
absoluta de 4 metros. La precisión de los modelos orientados, sin la utilización de puntos de
control es de 25 m para las coordenadas planimétricas y 2 metros para las altimétricas.
Los modelos estereoscópicos son formados a partir de las informaciones contenidas en la
cabecera de las imágenes, o sea, los parámetros de orientación de los modelos estéreos son
suministrados por el fabricante del sensor Ikonos, no existiendo cualquier procedimiento de
orientación o Aerotriangulación a ser adoptado por el operador.
Normalmente, el área de una hoja en la escala de 1:25000 es recubierta por un bloque
compuesto por 2 franjas, con 4 a 6 modelos.
3.- Área de Mareamiento
El área de mapeamiento fue seleccionada de acuerdo con los intereses del Ejercito Brasileño,
que deseaba el mareamiento de la región de la Restinga de la Marambaia, sitio en la ciudad de
Río de Janeiro. Además de eso, el área también se encuadra en un proyecto en curso en la 5ª
DL, que prevé la construcción de las hojas del mareamiento sistemático, de la serie 1:25.000,
que encuadran la cuidad de Río de Janeiro.
El área de interés está contenida en las hojas 2744/4 SE y 2773/2 NE (encartada) y, en ese
caso específico, fue cubierta por 09 (nueve) modelos estereoscópicos.
Las imágenes utilizadas comprenden un sector del área urbana de la ciudad de Río de Janeiro.
En ella están presentes varios elementos, como vegetación, mar, lagunas, además de un área
densamente urbanizada, lo que posibilita un estudio amplio sobre las posibilidades de
extraerse de las imágenes Ikonos, las informaciones temáticas que podrán ser utilizadas para
la generación de cartas topográficas en escala 1:25.000. Las imágenes se caracterizan aún por
la presencia de áreas planas y movidas.
La figura 01 presenta el encuadramiento de las hojas y de los modelos estéreo.
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Fig.4.-01
- Encuadramiento de los Modelos Ikonos
Solución Fotogramétrica Digital
La solución para fotogrametría digital de la empresa Intergraph Corp. Disponible en la 5ª DL es
la solución SSK, en su versión 4.2, que viene a ser una adaptación para pequeñas estaciones
de una solución más general denominada ImageStation.
Como no fue realizada la orientación de las imágenes, los programas utilizados se resumieron
en la solución mínima, capaz de crear el ambiente necesario para la ejecución de la restitución.
La tabla 1 presenta los programas disponibles y sus respectivas finalidades.
5.- Metodología Adoptada
El estudio utilizó la metodología patrón para evaluación de los patrones de exactitud
cartográficas de cartas topográficas del mareamiento sistemático nacional. Fueron medidas, en
campo y en ambiente estéreo, las coordenadas altimétricas y planimétricas de 31 puntos de
prueba. A continuación fueron calculadas las diferencias entre esas coordenadas y las
estadísticas media y desvío-patrón. Por fin, basadas en esas estadísticas, las cartas fueron
clasificadas de acuerdo con el decreto 89.817, de 20 de junio de 1984.
En la distribución de los puntos de prueba se buscó utilizar un espaciamiento homogéneo,
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dependiendo de las imposiciones del terreno. La figura 02 presenta la distribución de los puntos
en el área de estudio.
Fig. 02 - Distribución de los Puntos de Prueba
6.- Consideraciones sobre el Proceso de Construcción de las Cartas.
Por tratarse de un producto nuevo, aún no utilizado en las líneas de producción de la Dirección
de Servicio Geográfico, se tomaron todas las precauciones necesarias para documentarse el
proceso.
r Fueron también observadas las reacciones de los restituidores al nuevo insumo, siendo la
única diferencia significativa observada, la pequeña relación base/altura, que provoca la
sensación de mayor distancia del observador en relación al terreno.
En relación al proceso productivo, se verificó que el sistema geodésico adoptado es el WGS84
y el sistema de coordenadas es de coordenadas geodésicas, diferente del previsto por la
legislación brasileña, cuyo sistema geodésico es el SAD-69 (a la época) y el sistema de
coordenadas es Plana. Al operador no es dada la opción de hacer la transformación entre los
sistemas geodésicos y de coordenadas.
El principal reflejo de esa imposición es la ejecución de la conexión de hojas, que están,
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obviamente, en otro sistema geodésico y de coordenadas. Fue necesaria la realización de
diversas conversiones entre los sistemas hasta que la revisión de la restitución considerada
satisfactoria a la conexión entre hojas.
7.- Consideración sobre la Orientación de Modelos.
Al realizarse la verificación de la orientación interna y externa de los modelos estéreos fue
constatado que las altitudes de los puntos presentes en los modelos eran incompatibles con las
existentes en la hoja 1:50.000 de la región.
El mayor ejemplo era el nivel del mar en la playa que poseía una "altitud" de -11,80 metros
(once metros menos y ochenta centímetros).
Fue verificado que el sistema suministraba en la realidad la altura elipsoidal de los puntos y que
a ella debería añadir la ondulación Geoidal para que se obtuviera la altitud de cada punto del
terreno.
La solución fotogramétrica digital adoptada presentaba tres opciones para la inserción de la
ondulación Geoidal. La primera opción posibilitaba al operador no corregir la lectura y,
simplemente, utilizar la altura elipsoidal como referencia. La segunda opción permitía que se
utilizará el modelo geoidal WGS 84 earth Gravityr Model (Nasa), para calcular la ondulación
Geoidal punto a punto. La tercera y última opción permitía que se utilizará una ondulación
Geoidal constante para toda el área.
La primera opción fue descartada por no atender el previsto en la legislación cartográfica
brasileña.
Se decidió entonces realizar una prueba para verificar cual es el modelo de determinación de la
ondulación Geoidal sería utilizado. A comienzo, bajo el punto de vista de la producción, el
modelo EGM96 era el preferido, simplemente por el hecho de la solución fotogramétrica digital
calcular automáticamente su valor.
Para validar el estudio era necesario conferir si los valores calculados por el EGM eran
compatibles con la realidad de la región. Barbosa y Morita (2001) cita que en el modelo del
EGM96, en el espacio geográfico brasileño, fueron utilizados en su gran mayoría, puntos
localizados en Sao Paulo y en la región Centro-Oeste.
Para determinar la ondulación geoidal local media fueron medidas las ondulaciones geoidales
de 10 puntos en la región (posicionamiento relativo) y, a continuación, fue calculada la media
de los valores encontrados. Para completar la obtención de parámetros, fue calculada la
ondulación Geoidal de los mismos puntos con uso del Sistema de Interpolación de Ondulación
Geoidal - Mapgeo92 y, también, fue calculado un valor medio.
La tabla 2 presenta las ondulaciones geoidales medias.
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Tabla
2 fue
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Geoidales
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modelo
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Esbozo
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el
estudio
cartográfica
valor
altimétrica
para
constante
podría
en
8.- Clasificación de las Cartas cuanto a los PEC Altimétrico y Planimétrico
Para evaluar la calidad geométrica de los originales de restitución (altimetría y hidrografía y
planimetría y vegetación) fueron medidas las coordenadas planimétricas de 31 (treinta y uno)
puntos en el terreno, con empleo de rastreadores GPS.
Posteriormente, fueron recolectadas las coordenadas planimétricas de esos 31 puntos en
ambiente estéreo. De posesión de esos dos conjuntos de coordenadas (terreno y ambiente
estéreo) fueron calculadas las estadísticas y los originales de restitución fueron clasificados en
relación a los PEC Altimétrico y Planimétrico.
La elección de los puntos de prueba fue influenciada directamente por el terreno de la región
que posee una gran área plana en su parte centro-sur. La tabla 03 presenta las diferencias de
coordenadas altimétricas de los Puntos de Prueba y la tabla 04 el PEC - Altimétrico de las
cartas.
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Construcción de Cartas Topográficas
Tabla 03 - Diferencias de Coordenadas Altimétricas
Tabla
04
-PEC
PEC
Altimétrico
planimétricas
Como
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coordenadas
a
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todo
alusual
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La
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sistema
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06
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para
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carta
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Tabla 05 - Diferencia de Coordenadas Planimétricas UTM de los Puntos de Prueba
Tabla
- PEC
PEC
El
Clase
análisis
A.
de
tabla
04
permite
verificar
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clasificación
cuanto
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-se
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es
Cuanto
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no
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Clase
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carta
noen
podría
la estadística
clasificada;
media)
pero,
con restricciones
los autores
sugieren
(decurrente
que
de
su
laclasificación
estadística
9.- Aspectos Positivos
Fueron observados los siguientes aspectos positivos en la realización del presente estudio:
- La utilización de nuevos sensores, capaces de suministrar condiciones geométricas precisas,
en la restitución de cartas topográficas ofrece la otras alternativas para la construcción de
cartas topográficas, no sólo del mapeamiento sistemático brasileño, pero, también, de bases
cartográficas en general;
- La utilización de modelos estereoscópicos obtenidos a partir de sensores orbitales ofrece
alternativas para el mareamiento, principalmente, para áreas de acceso restrictivo;
- La utilización de imágenes de sensores orbitales permitió la evaluación del confort del
operador al visualizar imágenes con gran altura de imágenes, siendo, considerados como muy
confortables por los operadores.;
- La precisión final permitió clasificar las cartas topográficas, cuanto a los PEC Planimétrico y
Altimétrico, como Clase A, atendiendo, consecuentemente, los criterios de precisión
establecidos en lar normas técnicas de la cartografía nacional.
10.- Aspectos Negativos
Fueron observados los siguientes aspectos negativos en la realización del presente estudio:
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- La precisión de la orientación de las imágenes demostró no ser homogénea. Esa afirmación
es basada en el análisis del desvío-patrón de las coordenadas planimétricas;
- Bajo el punto de vista de la organización de líneas de producción, el uso obligatorio del datum
WGS84 y del sistema de coordenadas geodésicas, exige un riguroso control del proceso,
principalmente, en la ejecución de la revisión de la restitución y de la conexión con las cartas
adyacentes;
- La necesidad de realizar mediciones de campo para determinación de la corrección a ser
introducida en complemento la ondulación Geoidal.
11.- Conclusión
La presente evaluación fue realizada por la 5ª División de Levantamiento con el objetivo de
evaluar la precisión geométrica de una carta topográfica, restituida en la escala 1:25.000,
construida a partir de modelos estereoscópicos orbítales del sensor Ikonos.
Como área de trabajo fueron seleccionadas las cartas MI 2744/4 SE y 2773/2 NE (encartada),
que encuadran la Zona Oeste de la ciudad de Río de Janeiro.
Fueron restituidas todas las categorías de una carta topográfica, formando los originales de
Altimetría y Hidrología y de Planimetría y Vegetación.
La orientación de los modelos estereoscópicos presentaron problemas en lo que se refiere la
altura elipsoidal de los puntos. La utilización de las ondulaciones geoidales calculadas a partir
de mediciones en el terreno, del modelo de ondulación geoidal del IBGE y del modelo EGM96
de la NASA no fueron suficientes para corregir el problema, indicando que la precisión de las
actitudes del satélite suministradas por el fabricante del sensor no es satisfactoria. El error
aproximado, en ese estudio de caso, fue del orden de 7 metros, obtenido a partir de la
diferencia entre la ondulación geoidal media de la región (del orden de -4,80 metros) y la altura
elipsoidal (de orden de -11,80) del nivel del mar. Tal problema fue detectado rápidamente faz la
cota negativa del nivel del mar presente en la carta. En otras regiones el problema,
probablemente, solamente sería detectado en la clasificación de la carta.
Para evaluar la precisión geométrica de la carta topográfica fueron seleccionados 30 puntos de
prueba.
Esos puntos tuvieron sus coordenadas medidas en el terreno (con empleo de GPS) y en
ambiente estéreo (con empleo de soluciones fotogramétricas digital). Después de las
mediciones, las coordenadas fueron comparadas y las estadísticas media y desvío-patrón
fueron calculadas. A continuación, las cartas (en conjunto) fueron clasificadas de acuerdo con
el decreto nº. 89.817 de 20 de junio de 1984, obteniéndose para los PEC Planimétrico y
Altimétrico la clasificación "Clase A".
En lo que se refiere la precisión planimétrica de la carta fueron detectadas algunas
discrepancias en los puntos (PT 04, 06, 07 y 30). Sin embargo, la precisión planimétrica
general puede ser considerada como buena, por encima de las expectativas iniciales.
Pódese, por fin, concluir, basado en los resultados obtenidos en la presente evaluación, que las
precisiones planimétricas y altimétricas de una carta construida con la utilización de modelos
estereoscópicos orbitales del sensor Ikonos atienden el previsto en las normas técnicas de la
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cartografía nacional para el mapeamento sistemático, siendo que la precisión altimétrica
solamente puede ser considerada como válida si fueran realizadas mediciones de campo que
posibiliten la determinación de un modelo Geoidal local para la corrección de las orientaciones
de las imágenes.
Fuente:
Marcis G. Mendonça Júnior - Ivanildo Barbosa - Instituto Militar de Engenharia - Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais
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