Aplicaciones cartográficas para drones

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Aplicaciones cartográficas para drones

Introducción
La cartografía es una técnica que interpreta, analiza y representa gráficamente parte o todo de la superficie de un astro. Desde antiguo se ha elaborado la cartografía del terreno para simplificar los elementos que en él intervienen. pero hoy en día se ha incrementado la demanda y disponibilidad de los datos espaciales por lo que se hace necesaria la obtención de datos a una escala de tiempo y espacio reducida. Los instrumentos utilizados para representar la cartografía han pasado del papel a la cartografía digital, propiciado por una mejora de la tecnología. Los Sistemas Aéreos remótamente pilotados (RPAS en sus siglas en inglés) popularmente conocidos como drones, en los últimos años, se han convertido en unas herramientas de obtención de información muy útil y eficaz que ahorra tiempo, reduce los costes y genera resultados muy satisfactorios.

Los datos espaciales adquiridos serán la base de los diversos procesos que servirán para elaborar la cartografía deseada.
para el manejo de los datos y la elaboración de la cartografía se utilizan tres tipos de programas:

  • • Los programas orientados al Diseño Asistido por Ordenador (CAD), que son herramientas de diseño capaces de generar dibujos 2D y modelados 3D, que se basan en entidades geométricas vectoriales como líneas, puntos, arcos y polígonos.
  • • Los programas de Sistemas de Información Geográfica, permiten combinar y relacionar diferentes elementos georeferenciados en el espacio.
  • • Programas para Teledetección que además de captar imágenes aéreas georeferenciadas permiten recoger imágenes de diferentes bandas del espectro electromagnético. esto quiere decir que se obtiene información de la superficie que a simple vista no se podría captar ya que nuestros ojos solo permiten ver el espectro visible. Dependiendo del procesamiento informático que se haga en cada una de las bandas espectrales se mostrarán unos elementos u otros.

Una herramienta básica para elaborar la cartografía es la fotogrametría. Esta permite medir sobre fotografías con las que se puede determinar las propiedades geométricas de los objetos y las situaciones espaciales a partir de imágenes fotográficas. Si se trabaja con una foto se puede obtener información en primera instancia de la geometría del objeto, es decir, información bidimensional. Si se trabaja con dos fotos, en la zona común a éstas (zona de solape), se podrá tener visión estereoscópica, o dicho de otro modo, información tridimensional. básicamente, es una técnica de medición de coordenadas 3D, que utiliza fotografías u otros sistemas de percepción remota junto con puntos de referencia topográficos sobre el terreno, como medio fundamental para la medición.
La fotointerpretación es otra herramienta muy útil para realizar la cartografía de un área, ya que permite determinar los elementos que intervienen en el terreno. Para ello es necesario realizar un trabajo de campo para tener claro cuáles son los objetos y elementos que se desean cartografiar, descartando aquellos que provocan confusión en el resultado final.

La tecnología GNSS (Global Navigation Satellite System), cuyo sistema más conocido, que no el único, es el GPS (Global Positioning System) permite determinar las coordenadas de cualquier punto de la superficie terrestre con gran precisión. Este sistema
tiene una importancia bastante significativa en lo que concierne a la cartografía, para poder localizar de una forma precisa los elementos que se pretenden digitalizar y no cometer errores en cuanto a la posición de estos en el espacio.

Obtención de datos
Las nuevas herramientas tecnológicas permiten obtener datos con una resolución temporal reducida y con una alta resolución espacial, tanto de fotografías como de puntos.
El proceso de obtención de los datos pasa a ser desde el proceso de imágenes planas 2D a imágenes en 3D. para ello se utiliza la técnica de la estereoscopía.
Las imágenes tomadas desde un RPAS son subortogonales, ya que rara vez son totalmente ortogonales, y de hecho no es necesario que lo sean, ni tampoco se busca como objetivo.
La precisión de los GPS de abordo son de varios metros (incluso 10 – 20 m), por lo que las precisiones de centímetros del trabajo final han de obtenerse mediante puntos de control en el terreno. estos puntos de control deben de repartirse homogéneamente sobre el territorio objeto de estudio, para obtener el mínimo error posible, además de realizar un reconocimiento del terreno para identificar las formas y elementos característicos del territorio.

La elección de la escala es fundamental. La escala apropiada será la que permita ver todos los elementos deseados claramente. Aun así, a la hora de realizar el vuelo, la altura del dispositivo no debe de ser muy elevada, siendo siempre por debajo de los 120 m para poder operar dentro del margen de la legalidad conforme a la normativa en vigor en españa para el uso de RPAS. Dependiendo de los objetivos que se quieran alcanzar, la captura de fotografías puede ser desde cámaras digitales convencionales, con una focal fija o una cámara multiespectral que capte la radiación en otras bandas del espectro electromagnético. Todas deben de cumplir con una calibración de fábrica que por cuestiones de humedad y temperatura pueden variar.

Otro punto importante en la toma de datos son las condiciones atmosféricas, las cuales afectan en gran medida ya que puede provocar errores en la captación de los datos.

Por ello es fundamental la formación de los pilotos de RPAS y en los manuales de los operadores de RPAS disponer de procedimientos de vuelo condicionados a la meteorología. es necesario recordar que los RPAS son equipos de unos pocos kg de peso que son muy
vulnerables a los vientos y condiciones meteorológicas. Una climatología adversa aparte de poder provocar un fallo de seguridad en el vuelo con consecuencias poco predecibles, puede provocar cambios de posición de la RPAS pudiendo variar la posición de disparo de la fotografía que podría alterar el resultado llegando a hacerlo técnicamente incorrecto.

Es importante a la hora de realizar el vuelo, seguir las indicaciones del manual del operador donde se indican las calibraciones y comprobaciones necesarias de todos los sistemas, con el fin de minimizar los errores y asegurar la calidad de los resultados.
Algunos de los errores intrínsecos de la tecnología de uso de los RPAS en aplicaciones cartográficas solamente pueden ser corregidas mediante el uso de puntos de control en tierra, de coordenadas conocidas. Algunos de estos puntos se utilizan para calibración,
y otros para comprobación de resultados.

Proceso de gabinete
Una vez recogidos los datos se exportan a software especializados capaces de realizar procesamientos fotogramétricos y el posterior tratamiento de estos, creando una nube de puntos con coordenadas x, y, z, un modelo digital del terreno y composición de una
ortoimagen georeferenciada. Existen programas como Photoscan o Pix 4D que se encargan de generar un modelo con el conjunto de los datos obtenidos. Para procesar los datos, previamente debe de conocerse el sistema de coordenadas que se ha utilizado en el proceso de captación de datos, y de forma muy recomendable la posición de cada una de las fotografías que se incorporen al proceso. Si las coordenadas son locales se deberá configurar previamente el software para no producir deformaciones en los resultados.

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El conjunto de los registros con las coordenadas x, y, z, se denomina nube de puntos. Según la resolución con la que se quiera trabajar se puede crear una nube de puntos más o menos densa. Cuantos más puntos, mayor información y mayor detalle, cuanto menos puntos menor resolución espacial. esta nube de puntos permite realizar superficies y con ello analizar el terreno. Las superficies se crean a partir de un método de triangulación que genera el modelo digital de superficie (DSM por sus siglas en inglés), y mediante técnicas de filtrado y algoritmos de programación, el modelo digital del terreno (DTM por sus siglas en inglés), que pueden ser modificados por el usuario según su finalidad. por último, la ortofotografía georeferenciada se crea a partir de la unión de numerosas fotografías creando un mosaico, conociendo sus coordenadas x e y en el espacio.

Una vez generados estos modelos, se exportan a un programa software para modelar, analizar o diseñar. para este cometido, existen unos software especializados de diseño asistido como Autocad o Microstation, y software de Sistemas de Información Geográficacomo ARGGIS, quantum GIS, o Global Mapper entre otros, aunque existen otros muchos capaces de realizar el mismo trabajo.

Los software de diseño asistido por ordenador están orientados a la creación y edición de objetos. A partir de la nube de puntos se puede crear una superficie (DTM) pudiendo tomar diferentes estilos ya sea como curvas de nivel, modelo de elevaciones o modelo
de la pendiente. Además se pueden configurar los estilos siguiendo los intervalos que desee el usuario. Para una mejor observación se puede cargar la ortoimagen anteriormente generada, lo que facilita el proceso de levantamiento cartográfico. De esta manera, además, se puede ver qué área se ha cartografiado. Si dentro de esta se encuentran objetos como edificios o árboles que no se quieren representar y que no han sido eliminados por el algoritmo de paso de DSM a DTM, se puede modificar la estructura de la nube de puntos y por consiguiente la superficie.

El proceso de tratamiento de la nube de puntos mediante algunos de los software comerciales de topografía, obliga al uso de líneas de rotura, líneas de contorno, ejes, etc. Las líneas de rotura son una herramienta imprescindible para forzar de forma manual ángulos en el terreno que es necesario indicar al algoritmo de triangulación del software para una adecuada representación del modelo final. De forma natural, los algoritmos de programación no toman esa ruptura de la pendiente por lo que estas líneas permiten modificar trazos forzando la dirección de la línea. Como se puede observar en la Fig. 2, las curvas de nivel han cambiado, en este caso concreto por la disposición de un talud.

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Por otro lado, los Sistemas de Información Geográfica (SIG) manipulan, analizan, gestionan y almacenan datos vinculados al espacio. Consiste en relacionar información georeferenciada en formato digital y herramientas informáticas para su análisis con unos objetivos concretos. La cartografía es una de las disciplinas más utilizadas en los SIG ya que estos se representan en un espacio con un sistema de coordenadas obtenido a partir de un sistema de proyección. Los programas SIG son la herramienta necesaria para manejar la información geográfica, combinando información gráfica y alfanumérica. ArcGIS es uno de los softwares informáticos que se utiliza para dicho trabajo.

De forma muy sencilla, existen dos formatos de representación de la información espacial en la estructura de almacenamiento de un SIG; el formato vectorial y el formato ráster. El formato vectorial define un objeto gráfico a través de sus límites o fronteras
con el exterior, mediante unos ejes de coordenadas. La información se representa por medio de segmentos orientados de rectas o vectores formando diferentes tipos de entidades como puntos, líneas o polígonos. Por otro lado, el formato ráster consiste en la división del espacio en una red de celdas, generalmente cuadradas. Cada una de estas celdas representa una unidad de información que se denomina píxel. Los píxeles están asociados a un único valor de una variable determinada que hace referencia a un identificador. La elección del tipo de formato a utilizar va a depender del tipo de estudio a realizar, al software de trabajo que se emplee y sobre todo al tipo de análisis que se quiere llevar a cabo.

Para realizar un análisis espacial existen una serie de procedimientos que permiten realizar cálculos entre las diferentes variables siendo su resultado la obtención de nuevos datos. Los procedimientos más habituales son las áreas de influencia, la superposición de otras capas de información, el modelo digital de elevaciones, el modelo digital del terreno o los análisis de vecindad, entre otros.

También mediante la teledetección se puede realizar un análisis de la superficie terrestre y de los elementos que en él intervienen. esta herramienta permite extraer información en toda la gama del espectro electromagnético: ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas, que a simple vista no se podría ver. Con la imagen capturada multiespectral se identificarán los objetos de la superficie mediante la reflectividad de estos, respecto a diferentes longitudes de onda. Cada objeto, ya sea un suelo, vegetación o agua, se comportará de una forma diferente, hecho que le permitirá ser distinguido del resto. Estos programas permiten elaboran una cartografía de detalle orientada a diferentes campos que a simple vista no se podría ver como la geología y la geomorfología del terreno, el uso del suelo, el estado de la vegetación, etc..

Resultados finales
La cartografía es el único procedimiento gráfico que permite una representación del espacio geográfico mediante la escala y los sistemas de proyección. Los resultados se representan en Mapas y Planos en función de la escala a la que se representen, siendo los mapas una interpretación gráfica simplificada de la realidad. ya se ha indicado que los formatos en los que se puede procesar la información son diversos, desde formato vectorial (puntos, líneas o polígonos), formato ráster u ortoimágenes, todos en ellos en
dos dimensiones. pero también se puede visualizar la información en una tercera dimensión, mediante la creación de modelos 3D. Toda representación gráfica debe ir acompañada de escala, sistemas de coordenadas y leyenda de los elementos que aparecen en el área cartografiada.

Una de las características que más ha evolucionado en los últimos tiempos en los modelos digitales del terreno, es la posibilidad de realizar modelos 3d interactivos asociados a formatos estándares como PDF’s, o ficheros .kmz de Google Earth que permiten
interactuar con el terreno. el empleo de RPAS ha reducido el coste de estas actualizaciones, permitiendo acercar al usuario final una actualización interactiva muy sencilla y totalmente actualizada de los terrenos que se vuelan con estos sistemas.

Asociado a lo anterior, se pueden realizar vídeos virtuales a vista de pájaro del terreno. Estos vídeos se pueden exportar a formatos estándar en cualquier caso.

Por supuesto, no cabe duda que la presentación clásica por excelencia y que a día de hoy mantiene totalmente su vigencia es la representación de un plano de curvas de nivel con la toponimia correspondiente.

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Aplicaciones adicionales
La superficie creada, modificada o no, permite generar una cartografía que representa la realidad de una manera simplificada. Existen numerosas aplicaciones orientadas a diferentes disciplinas. Esta representación cartográfica irá orientada a la hidrografía,
la vegetación, la topografía y la planimetría suponiendo el estudio exhaustivo de la población, las comunicaciones, las actividades industriales, etc.. El Modelo Digital de elevaciones servirá de base para la realización de muchos mapas.

Modelo Digital de Elevaciones (o Modelo Digital de Superficie) y Modelo Digital del Terreno

Estos modelos se crean a partir de una nube de puntos generada y procesada en el software del procesamiento fotogramétrico, correspondiendo cada punto a unas coordenadas x, y, z. Luego se trasfieren los datos a un programa de diseño asistido por ordenador
(CAD) que es capaz de georeferenciar.

El Modelo Digital de Elevaciones (MDE) representa, mediante una capa ráster, el relieve de la superficie tal y como se encuentra teniendo en cuenta las infraestructuras, edificaciones, vegetación, etc.. Mientras que el Modelo Digital del Terreno (MDT) solo representa la superficie del relieve sin contar con las actuaciones antrópicas. Por ello se debe de trabajar con la superficie y eliminar o modificar aquellos puntos en los que toman objetos como árboles, edificios, etc.. Existen 3 maneras para representar estos
modelos para simplificar información:

  • • Las curvas de nivel son líneas que unen puntos con la misma altura siendo los intervalos generalmente constantes.
  • • Otro sistema es el de las redes irregulares de triangulación. Se crea a partir de la triangulación de un conjunto de vértices que forman una red de vectores conectados. Este método de representación ralentiza el proceso y no aporta mucho a la
    hora de analizar el terreno.
  • • Por último, también se puede representar con formato ráster. Este formato es más cómodo ya que permite visualizar las diferentes altitudes en diferentes gamas de color.

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Estos modelos, además de aportar la altitud de cada punto, contienen información que puede ser útil a la hora de analizar el terreno. esta información se obtiene a partir del cálculo de diferentes variables a partir de procesamientos de álgebra de mapas, como puede ser la pendiente, la orientación, la curvatura, la rugosidad, la visibilidad o la dirección del flujo.

Mapa topográfico
Este modelo de representación cartográfica debe contener el MDT para, posteriormente, obtener las curvas de nivel, base de este tipo de representación. Los intervalos de cada línea deben de ser constantes y pudiéndose configurar según lo desee el usuario,
además de añadir etiquetas y modificar el color de las curvas de nivel. Para una mejor visualización puede añadirse sombreados teniendo en cuenta la orientación de la superficie. junto al relieve, un mapa topográfico también incorpora otra información muy variada, como son las redes hidrográficas, las obras civiles, edificaciones y demás elementos humanos, todo ello representado por medio de símbolos y signos.

El mapa topográfico es un elemento dinámico que cambia constantemente en el tiempo por lo que es necesario modernizarlo continuamente.

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Usos del suelo

Existen numerosas fuentes, como el Corine Land Cover o el SIOSE, en las que vienen representados los usos del suelo, pero estos tienen una resolución espacial muy baja por lo que no se puede obtener detalles que podrían servir para efectuar un estudio.

Una vez obtenida la orografía del terreno y la ortoimagen georeferenciada mediante el método básico de fotointerpretación o de teledetección, se pueden identificar los diferentes usos del suelo conociendo previamente el terreno. Los programas SIG permiten delimitar y representar estos usos del suelo de manera gráfica y sencilla. La fotointerpretación es un método más tradicional en el que la percepción de la superficie es la que se representa, por ello es necesario identificar los elementos que en él intervienen para no cometer ningún tipo de error. Por otro lado, el proceso de teledetección es más complejo, ya que requiere que la fotografía aérea realizada también pueda obtener imágenes multiespectrales para que mediante el procesamiento de las imágenes, se identifique de forma automática los diferentes elementos que existen en el territorio y poder representarlos de forma fiable.

Además, cada tipo de suelo, puede ser analizado y tratado a una resolución espacial y temporal mínima gracias a los rpAS, teniendo en cuenta los objetivos que se pretendan alcanzar. por ejemplo, podemos tratar temas relacionados con la agricultura, el medio ambiente, el urbanismo, la población o las actividades industriales.

  • • La cartografía que se está realizando dentro del sector de la agricultura se centra en la obtención de mapas de aprovechamiento de  de parcelas.
  • • en temas medioambientales la cartografía se convierte en un elemento clave a la hora de realizar estudios de impacto, ya que permite identificar y delimitar áreas. Por ejemplo, la distribución de especies invasoras en el espacio o la repercusión que puede sufrir un área contaminada teniendo en cuenta la cartografía ya elaborada de mapas geológicos, mapas de escorrentías etc.
  • • En el ámbito forestal se utiliza para conocer el estado de la vegetación, la previsión y control en caso de incendios o la distribución de especies en el terreno.
  • • En cuanto al sector urbanístico y de la población se puede estudiar el comportamiento de la red urbana o la elaboración o actualización de la cartografía catastral.
  • • También es necesario para las actividades mineras que son explotadas a cielo abierto, ya que permite elaborar levantamientos topográficos a una escala de tiempo pequeña y con una resolución espacial centimétrica, pudiendo calcular el volumen de material extraído, los residuos generados, cubicajes o perfiles.

Conclusiones
En definitiva, el uso de los RPAS (drones) contribuye a la obtención de datos espaciales en un periodo corto de tiempo y con una alta resolución espacial a un coste reducido. Anteriormente a su aparición, todo dependía de la disponibilidad de los satélites, de aviones tripulados o de la cartografía realizada a pie de campo.

Hoy en día las aplicaciones de los RPAS para cartografía son múltiples abarcando diversos campos del conocimiento; el medio ambiente, la agricultura, las actividades industriales, el urbanismo, etc., aunque es importante destacar que a nivel normativo, y hasta la fecha, únicamente se pueden realizar operaciones con RPAS en espacio aéreo no controlado, y fuera de núcleos de población, por lo que esta es una de las restricciones de uso que —de momento— limitará el uso de estos sistemas. esta limitación, unida a la obligatoriedad de operar con condiciones de vuelo VFR (Visual Flight Rules), es decir, con meteorología de visibilidad determinada, son los condicionantes más importantes de cara a las limitaciones de uso en aplicaciones cartográficas con RPAS.

De cualquier forma, a modo de conclusión, a pesar de los condicionantes indicados, el empleo de esta tecnología supone más ventajas que inconvenientes en el resultado final, lo que unido a la reducción de costes que tendrá a medio plazo, hará de ella una tecnología por la que apostar para las Aplicaciones cartográficas.

David Saez Paredes y Ana Mª Beltrán Noguera

UAV Blackbird, S.L.