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Normatividad para la construcción de cartas base 1:50,000

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.

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 estéreos.

Fig. 01 - Encuadramiento de los Modelos Ikonos

4.- 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.

Tabla 01 - Programas de la Solución SSK



Programa

Finalidad

MicroStation SE

CAD

ImageStation Raster Utilities

Módulo de preparación de imagenes

ImageStation Photogrammetric Manager

Módulo de administración de datos de entrada (imagenes, modelos y franjas del bloque, fotogramétrico, cámaras aéreas, etc.)

ImageStation Stereo Display

Módulo generador del ambiente estéreo

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, 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.

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, 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 Gravity 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.

Tabla 2 - Ondulaciones Geoidales Medias

El análisis de los valores de la tabla 02 permitieron verificar que los valores calculados del modelo EGM96 están compatibles con los calculados en el terreno.

Calculando ahora la altitud del nivel del mar en la playa, cuya altura elipsoidal medida en la imagen fue de - 11,80 m, tendríamos - 6,00 m, según el modelo local, y - 5,80 metros, según el EGM96, valores que serían perfectamente aceptables, visto que, el datum vertical Imbituba se sitúa en Santa Catarina.

Sin embargo, fue verificado que uno de los puntos utilizados en la determinación de la ondulación Geoidal local era una Referencia de Nivel (RN) del IBGE situada en una avenida próxima a la playa, con altitud de + 6,82 m. El análisis visual del desnivel entre esa RN y el nivel del mar indica no existir un desnivel de, aproximadamente, 19 metros entre los dos puntos, hecho este que fue comprobado a través de la medición en ambiente estéreo. La figura 03 presenta un esbozo de la ondulación geoidal y de las altitudes de los puntos medidos en su determinación.

Fig. 03 - Esbozo de la Ondulación Geoidal

La comprensión de esa incoherencia solamente es posible de verificar habiéndose en cuenta que la precisión altimétrica de los modelos es de 22 metros, para orientaciones sin el uso de puntos de control. Ese valor supera, y mucho el valor de la ondulación Geoidal local. Ese valor supera y mucho el valor de la ondulación Geoidal local, calculada con el uso de cualquier modelo. Sin embargo, aún existe la obligación de escoger una de las tres opciones citadas. La primera opción (no uso de la ondulación geoidal) ya había sido descartada. La segunda opción (uso del EGM96) debe ser descartada en faz de la ondulación geoidal ser muy menor que la precisión altimétrica de los modelos. La tercera opción (uso de una constante como ondulación geoidal) ofrece la oportunidad de utilizarse no la ondulación Geoidal, pero sí, un valor que corrija la imprecisión de la orientación del modelo y al mismo tiempo compense la ondulación Geoidal.

En faz del expuesto arriba, se decidió utilizar la tercera opción, introduciendo el valor constante de +11,80 m como factor de corrección de la altura elipsoidal y de la imprecisión altimétrica de los modelos estéreos. Cabe resaltar que, si ese valor fuera apenas escogido el estudio podría indicar que la precisión altimétrica suministrada por el fabricante no sería suficiente para permitir la construcción de las cartas topográficas de acuerdo con la legislación cartográfica en vigor.

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.

Tabla 03 - Diferencias de Coordenadas Altimétricas

Tabla 04 - PEC Altimétrico

Como todo el trabajo fue ejecutado utilizando el sistema de coordenadas geodésicas, sería lógico calcular el error medio utilizando ese sistema de coordenadas. Sin embargo, ese sistema es poco usual en el caso de clasificación por el PEC. Así, para facilitar la comprensión, las coordenadas geodésicas fueron transformadas a planas (sistema UTM), con Datum SAD-69, y a continuación fueron calculadas las estadísticas necesarias para la clasificación de la carta cuanto al PEC - Planimétrico. La tabla 05 presenta las diferencias de coordenadas planimétricas de los Puntos de Prueba y la Tabla 06 el PEC - Planimétrico de las cartas.


Tabla 05 - Diferencia de Coordenadas Planimétricas UTM de los Puntos de Prueba


Tabla 06 - PEC Planimétrico

El análisis de la tabla 04 permite verificar que la clasificación cuanto al PEC - Altimétrico es la Clase A. Cuanto al PEC - Planimétrico se verifica que la estadística Desvío-patrón no se encuadra en ninguna clase. Rígidamente, la carta no podría ser clasificada; pero, los autores sugieren que su clasificación sea la Clase A (basada en la estadística media) con restricciones (decurrente de la estadística desvío-patrón).



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:

- 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 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.

12.- Referencias

http://www.cartografia.cl/index.php?option=com_content&task=view&id=176&Itemid=9