Análisis Temático en Área de Implantación de Carretera utilizando productos

Lidiar e Imágenes de Alta Resolución

La elección de la directriz para una carretera lleva a considerar muchos factores y requiere, frecuentemente, un balance de características conflictivas con el objetivo de obtener una directriz adecuada. El resultado óptimo es obtenido ponderando la disponibilidad de recursos con las necesidades de provocar el mínimo disturbio las características culturales y naturales del terreno, reducir los futuros costos de mantenimiento y operacionales.

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Figura 1: Imagen de Intensidad LIDAR


La utilización de productos oriundos de Sensores Remotos propicia el conocimiento local y trae subsidios para la realización de los proyectos de ingeniería (Mintzer, 1983), facilitando el conocimiento del ambiente donde la carretera será implantada, atendiendo de manera eficaz a los requisitos ambientales.

Por más de 80 años, las fotografías aéreas han sido utilizadas para evaluar diversos factores que influencian la locación de carreteras. La evolución tecnológica trajo nuevos medios para levantar informaciones sobre el terreno, como el sistema LIDIAR (Light Detection and Ranging), también conocido por sistema ALS (Airborne Láser Scanning). Con el adviento de esta tecnología, se tiene una alternativa para la adquisición de Modelos Digitales de Terreno (MDT) (Berg y Fergunson, 2001). Además de eso, los Modelos Digitales de la Superficie (MDS) y las imágenes de intensidad generadas en los levantamientos LIDIAR suministran informaciones complementarias y pertinentes a los estudios y proyectos de implantación de carreteras.

Este trabajo presenta un estudio utilizando la aplicación de productos fotogramétricos, del LIDIAR e integración de ambos en el la confección de cartografía temática en áreas de implantación de carreteras.

2.- Sistema LIDIAR

El LIDIAR aerotransportado es considerado un sistema de Sensores Remotos activo, que utiliza una técnica de barredora óptimo-mecánico con pulsos láser para recolectar información. El sistema LIDIAR genera coordenadas tridimensionales de puntos sobre una superficie en un corto periodo de tiempo. Su principio de operación es bastante simple. Los pulsos del láser son generados y emitidos por el sistema con la ayuda de un espejo de barredora alcanzando los objetos. Estos objetos reflejan el pulso emitido y parte de su energía devuelta al sistema. Con esto, la medida de la distancia entre el sensor y el objeto iluminado es determinado a través del intervalo de tiempo entre la emisión y la reflexión (retorno) del pulso. El posicionamiento 3D de los puntos puede ser determinado si la posición y la orientación del pulso enviado es conocida en relación al sistema de referencia WGS84.

Para haber una acurácia en la determinación de los puntos es necesario que haya una buena sincronización entre los componentes envueltos por el sistema (Wehr y Lohr, 1999; Dalmolin & Santos, 2004).

La barredora utilizando el sensor es hecha en el sentido transversal a la dirección de la línea de vuelo, con la divergencia configurable por el sistema permitiendo la determinación del ancho de la franja comprendida por el perfil del láser (caso del sistema ALTM).

Después de obtenidos en el aerolevantamiento, los datos LIDIAR son entregados en tres conjuntos:
a) los datos de calibración y parámetros de montaje (obtenidos antes del vuelo), b) medidas de dsiatncias LÁSER con sus respectivos ángulos de escaneamiento y c) los datos POS (Position and Orientation System).

Esos datos son procesados e integrados, obteniendose al final de esta etapa una nube de puntos Laserscanner, tradicionalmente presentada en un conjunto de coordenadas tridimensionalmente en el sistema WGS-84 (Wehr & Lohr, 1999). Esto genera un gran conjunto de puntos que deben ser procesados para modelar la superficie del terreno tridimensionalmente.

Además de permitir el registro de múltiples retornos por pulso, la tecnología permite aún el registro de la intensidad o reflectáncia de cada uno de estos retornos. Así, a pesar de que el sistema LIDIAR no tiene desarrollada la captura directa de imágenes de la superficie del terreno, los resultados del procesamiento de los datos recolectados permite generar los siguientes tipos de imágenes (Brandalize, 2004):

Imagen de Intensidad (Intensity Image):

Esta imagen (figura 1) es formada por una matriz de puntos cuyas posiciones son determinadas por sus coordenadas 2D georreferenciadas (Y, N). Es atribuido un valor de memoria (normalmente en una escala de 256 tonos de grises) que corresponde a la cantidad de luz láser reflejada por cada punto mostrado sobre la superficie del terreno.

Imagen de Distancia o de Elevación (Range image o Elevation Image): esta imagen también es formada por una matriz de puntos cuyas posiciones son determinadas por sus coordenadas 2D georreferenciadas (Y, N). Cada punto es atribuido un valor de memoria que corresponde a su alejamiento en relación al sensor, o sea, que corresponde a su altitud (H)

El LIDIAR viene siendo utilizado, en nivel mundial, más de veinte años y para una variedad de aplicaciones.
Más recientemente, ha sido utilizado para generar Modelos Digitales del Terreno (MDTs) en levantamientos de escala grande y alta precisión (Kraus y Pfeifer, 1998; Means et al., 2000; Berg y Fergunson, 2001). En Brasil, los primeros levantamientos fueron realizados el año 2001 y actualmente existen tres sensores ALS en el país (Loch y Schäfer, 2004).

3.- Material y Método

Las etapas desarrolladas en el desarrollo de la investigación fueron las siguientes:

3.1 Tratamiento de la nube de puntos proveniente del levantamiento LIDIAR;
3.2 Levantamiento del uso actual de la tierra utilizando fotointerpretación;
3.3 Generación de Modelo Digital de Terreno (MDT) y Modelo Digital de Superficie (MDS);
3.4 Generación de cartas de declive;
3.5 Análisis temático del área en estudio.

Los materiales utilizados para el estudio fueron:
a) archivo de puntos LIDIAR, altura de vuelo 1000 m, realizado en noviembre del 2002 para el anteproyecto del proyecto final de la carretera SC-414 realizado por la empresa ESTEIO S.A. y cedidos por el DEINFRA/SC; b) Imagen de intensidad de los puntos Laserscanner; c) anteproyecto geométrico del proyecto final de la carretera SC-414.

Para generar un MDT que represente la superficie terrestre de la forma más próxima a la realidad la correcta definición de esta superficie en la nube de puntos LÁSER es imprescindible. Esto hace del tratamiento de los datos provenientes del sistema LIDIAR una tarea de gran importancia y que ejerce influencia en la calidad final del MDT.

Para diferenciar cuál información corresponde al relieve o a cualquier otro fenómeno geográfico u objeto presente en la superficie estudiada, es necesario realizar un tratamiento de los datos. Este fue realizado en tres etapas: filtración, clasificación y edición manual de la nube de puntos LIDIAR.

La remoción de puntos indeseados (como la tarea de separar los puntos láser que tocaron la superficie terrestre con demasiados puntos) es considerada una operación de filtración. Ya la tarea de encontrar una estructura geométrica o estadística específica, como edificaciones o vegetación, es definida como clasificación (Axelsson, 1999). La etapa de edición manual fue añadida al tratamiento de los datos llevándose en consideración que el método automático de filtración y clasificación por algoritmos propios para este fin no fue capaz de alcanzar resultados satisfactorios.

Inicialmente fue realizada una filtración automática de la nube de puntos LÁSER con el objetivo de separarlos en puntos que tocan a la superficie terrestre y puntos que tocaron otros blancos terrestres. La filtración fue hecha en el software TerraScan (de la Terrassolid Limited), que posee una herramienta específica para esta tarea.

En la etapa de clasificación, de la nube de puntos definida en la filtración como no pertenecientes a la superficie terrestre fueron creados tres layers separando los principales elementos encontrados en el área de estudio:
Vegetación, edificaciones y otros (líneas y torres de transmisión).

En la etapa de Edición manual, el conjunto de puntos filtrados y clasificados automáticamente fue analizado en ArcView. Los puntos LÁSER fueron sobrepuestos al mosaico de ortofotos del área a fin de refinar el tratamiento de los datos. Al final de esta etapa, se dispuso del archivo de puntos que tocaron a la superficie terrestre y los archivos de puntos que tocaron a la superficie terrestre y los archivos de puntos de los layers (“vegetación, edificaciones y otros”) completamente editados y revisados.

3.2 Levantamiento del Uso Actual de la Tierra Utilizando Fotointerpretación

El levantamiento del uso actual de la tierra fue realizado con el objetivo de auxiliar en el reconocimiento y análisis del área de estudio.

Se realizó una fotointerpretación preliminar en el mosaico de ortofotos, delineándose las áreas con distinguidos aspectos de uso de la tierra. Ese material sirvió de base para la reambulación de campo.

Después de la comprobación de campo, estudio minuciosamente el mosaico de ortofotos, definiendo y digitalizando las clases de interés que sean obtenidas en la fotointerpretación.
Las clases definidas fueron: area edificada; suelo expuesto; áreas de cultivo; pastizal; reforestación; vegetación densa; vegetación tritura; ríos; embalses; red vial.

Además del mosaico de ortofotos, la imagen de intensidad generada por el LIDIAR fue utilizado para auxiliar en la fotointerpretación, ella auxilió en la correcta definición de áreas con sombra en el mosaico de ortofotos.

3.3.- Generación de Modelo Digital del Terreno (MDT) y Modelo Digital de Superficie (MDS)

Para generar los MDTs y MDSs de alta resolución se optó por utilizar estructura TIN (Triangular Irregular Network), pues sus segmentos son siempre definidos como bordillos d triángulos que compone ese TIN. Es decir bastante útil, pues propicia la adición en el MDT o MDS (el MDS es el modelo que contiene informaciones de altura y elevación de todos los objetos presentes sobre la superficie terrestre – vegetación, construcciones, líneas de transmisión de energía, etc) de características del terreno que pueden no ser captadas por el sistema LIDIAR, por medio de elementos sectorizados. Además de eso, facilitaría la etapa posterior del estudio propuesto que era la inserción de la carretera en los modelos del terreno.

Para la construcción del MDT fueron utilizados todos los puntos láser definidos como superficie terrestre. Ya para la construcción del MDS se utilizó todos los puntos laser, eliminando del MDS se utilize todos los puntos laser, eliminando los referents a cuerpos de agua y líneas de transmission para evitar errores en la construcción del MDS.

Para hacer la simulación de la carretera proyectada en el área de estudio, se encesitaba inicialmente de una planta con informaciones planialtimétricas de la carretera y de las líneas de offset que serían incorporadas al TIN y visualizadas en formato tridimensional. Ellas fueron definidas en el CAD como polilíneas contiendo coordenadas X, Y, Z y después de incorporadas al TIN.

Las estructuras TIN para los MDTs y MDSs fueron generadas de forma semejante la descrita en el ítem 2.2, obteniéndose así el MDT y el MDS con la simulación de la carretera proyectada.

3.4.- Generación de Cartas de Declividad

Las cartas clinográficas fueron creadas para posibilitar una visualización y análisis del terreno considerando áreas de preservación permanente debido a su inclinación (Código Foretal Brasileño) y áreas aptas para urbanización sin restricciones (Ley 6766/79) (considerando que la implantación de una carretera induce a la urbanización en las áreas linderas).

Las cartas de declividad fueron obtenidas a partir de los puntos LIDIAR editados manualmente con adición de breaklines naturales y artificiales del terreno.

3.5.- Análisis Temático del área en estudio

El análisis temático en el área de estudio fue realizada a través del cruce de la carta de declividad, carta agraria, mapa de uso actual de la tierra y proyecto geométrico de la carretera.

Fueron seguidas las recomendaciones del Manual de procedimientos Ambientales (DER/SC, 1998), verificándose, por ejemplo, la existencia de Áreas de Preservación Permanentemente (APPs); áreas no aptas a la urbanización sin restricciones y áreas a que sean desmatadas para la construcción de la carretera.

El cruce de los mapas fue hecho en medio digital creándose un proyecto en el software ArcView GIS, lo que posibilitó un análisis eficaz del área de estudio.

4.- Resultados

4.1 Tratamiento de la nube de puntos proveniente del levantamiento con el sistema LIDIAR

La figura 2 ilustra el resultado obtenido después de la filtración clasificación y edición manual de los puntos LÁSER de parte del área de estudio. Los puntos definidos como superficie terrestre fueron representados en el color naranja, los definidos como edificaciones en el color rojo y los puntos definidos como vegetación en el color verde.

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Figura 2: Nube de puntos LIDIAR después de filtración, clasificación y edición manual.

De un total de 579.825 puntos LÁSER en el área de estudio, fueron definidos como superficie terrestre 143.470 puntos, como edificaciones 5.840 puntos y como vegetación 430.15 puntos, como edificaciones 5.840 puntos y como vegetación 430.515 puntos, lo que representa un 24,69%, un 1,01% y un 74,10% del total de puntos, respectivamente.

La figura 3 ilustra en corte el resultado obtenido después de la edición manual de los puntos Láser. Los puntos definidos como pertenecientes a la superficie terrestre están representados en el color naranja, la vegetación es representada en verde y las construcciones en rojo.

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Figura 3: Vista en corte de los puntos Láser después de edición manual.

En la figura 4 tiene una foto de diciembre 2003 del local representado en la figura 3.

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Figura 4: Foto mostrando aproximadamente la escena de la figura 3.

4.2.- Generación de MDT y MDS

La figura 5 ilustra el MDT de parte del
á rea de estudio obtenido a partir de puntos derivados del
levantamiento LIDIAR.

Una de las principales características del MDT es la alta plasticidad debido a alta densidad de puntos del Laserscanner. Por otro lado, presenta depresiones artificiales (debido a puntos filtrados y/o clasificados erróneamente por los algoritmos como superficie terrestre) y “breaklines” naturales tienden a ser suavizadas o no aparecen en el modelo.

Midiéndose la cantidad media de puntos que tocaron la superficie terrestre en el área de prueba, se constató que el MDT obtenido a partir de los puntos Laserscanner no preenta calidad uniforme en toda su extensión. En áreas de coberturas cerradas (por ejemplo, en capoeiras), la densidad de puntos definidos en el proceso de tratamiento de los datos como los que tocaron la superficie terrestre fue de 0,021 la 0,099 puntos/m2, mientras los definidos como suelo expuesto o vegetación raster alcanzaron 0,359 a 0,50 puntos/m2.

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Figura 5: Parte del MDT del área de estudio

Es posible la utilización de filtros propios para generar una malla de puntos Láser homogénea y así uniformizar la calidad del MDT..

La figura 6 muestra parte del MDT generado con la simulación de la carretera hecha a través de la adición del proyecto geométrico a la nube de puntos LIDIAR.

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Figura 6: Escena 3D de parte del MDT con adición del proyecto geométrico de la carretera.

Uno de los mayores problemas encontrados tanto en el modelo del terreno cuanto en la obtención de escenas tridimensionales fue la exigencia de alto poder computacional o de memoria de procesamiento, ya que se disponía de archivos con gran cantidad de puntos medidos en el transcurso de la cobertura aérea del Laserscanner.

4.2.1.- Combinación del MDS con el Mosaico de Ortofotos

Una escena con el resultado obtenido a través de la integración del MDS con el mosaico de ortofotos está ilustrado en la figura 7.

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Figura 7: Escena 3D – integración del MDS con el mosaico de ortofotos.

4.3.- Análisis Temático de la Franja de Dominio y de Propiedades Rurales

4.3.1.- Análisis Temático de la Franja de Dominio

El análisis temático de la franja de dominio de la carretera en el área de estudio fue realizada siguiendo recomendaciones contenidas en DER/SC (1998) sobre los temas suelos, agua y recursos naturales. Se buscó localizar y cuantificar áreas frágiles del punto de vista ambiental.

RELIEVE

El DER/SC (1998) recomienda localizar los sectores donde, considerando la inclinación, existan riesgos de erosión. Terrenos frágiles o de relieve accidentado son más propensos a la erosión y necesitan de obras de arte especiales. Los proyectos erosivos pueden, directa o indirectamente, provocar la degradación de los suelos o del ecosistema local.

El relieve puede ser fácilmente analizado con los productos oriundos del sistema LIDIAR, que suministraron datos para confección de cartas de declividad (figuras 8 y 9) en escala grande.

Analizando la carta de declividad (figura 8), puede afirmar que del lado derecho de la carretera (sentido estaca inicial-estaca final), predominan terrenos con declividad baja (o a 12%), mientras que del lado izquierdo la predomina los terrenos con declividad más acentuada (30 a un 47%).
En el local exacto donde la carretera será construida, predomina la clase de declividad de 12 a 30%.
A través del análisis de la carta de declividad se puede concluir que no existen áreas de protección permanente (APP) debido al relieve (declividad por encima de 45° de acuerdo con el código forestal) en el interior de la franja de dominio de la carretera.

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Figura 8: Carta de declividad (segundo con De Biase (1977))

Con base en el análisis de la carta de declividad de la figura 9, puede afirmar que este tramo de la carretera es susceptible a problemas cuando es llevado en cuenta la posibilidad de ocupación desordenada de la franja de dominio.

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Figura 9: Carta de declividad (de acuerdo con La Ley 6766/79).

La tabla 1 tiene una cuantificación de la franja de dominio cuanto la aptitud para urbanización mostrando que un 50,48% del área no está apta a la urbanización debido a la declividad del terreno, mientras que un 49,16% es considerada apta a la urbanización. De un lado de la carretera (en las áreas más planas) se tiene el río brazo Srafim bien próximo o en el interior de la franja de dominio. Del otro lado de la carretera predomina la clase de declividad mayor que un 30%, lo que caracteriza areas no aptas a urbanización sin restricciones a declividad (Brasil, 1979).

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Tabla 1 – áreas aptas y no aptas a urbanización sin restricciones de acuerdo con la ley 6799/79.

La cuestión de la ocupación desordenada se hace aún más preocupante cuando son analizadas las áreas linderas a la carretera, donde existe una cantidad considerable de áreas con clase de declividad entre un 30% y un 47%.

Recursos Naturales

Cuanto a los recursos naturales, los impactos sobre la flora incluyen, entre otros: destrucción de la cobertura vegetal en el eje viario y sustitución de la vegetación original por otras de características diversas para la cobertura de taludes y paisajismo (DER/SC, 1998). El conocimiento del uso del suelo en la franja de dominio auxilia en la localización y cuantificación de las áreas afectadas cuando de la implantación de la carretera.

A través de la sobreposición del mapa de uso del suelo y carta de declividad, se observa que en el interior de la franja de dominio aproximadamente 1000 m2 de vegetación densa están en áreas con declividad superior a 25º. De acuerdo con BRASIL (1965), es prohibido el corte raso de estas áreas.

En el caso de los cursos de agua atravesados por la carretera, en el primero se observó la existencia de aproximadamente 600 m2 de mata ciliar, caracterizando área de preservación permanente (BRASIL, 1965) y clasificado (CONAMA, 1985), como reserva ecológica. La fauna puede ser afectada por varios moticos, pero principalmente en consecuencia de la interrupción de vías de circulación de animales (DER/SC, 1998).

Con el producto generado por la integración del MDE y mosaico de ortofotos visualizando en 3D, puede visualizar claramente el efecto del pasaje de la carretera en un área de vegetación densa (figura 10), posibilitando la determinación de posibles vías de circulación de animals.

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Figura 10: Interferencia de la carretera en la vegetación.

Recursos Hídricos

La carretera, tanto en cuanto cualquier otra infraestructura lineal, interfiere sobremanera en el comportamiento general de los recursos hídricos de una dada región, y aunque no pueden ser considerados usuarios comunes de este recurso natural, las carreteras se comportan como agente de transformaciones y añaden riesgos a la calidad del agua de los cursos de agua que atraviesa, tanto por el escoamento de los residuos depositados sobre el pavimento, u oriundos de su propia decomposición, como por el riesgo potencial de descarga de contaminante, decurrente de accidentes con cargas de productos peligrosos. También los procesos erosivos en las fases de obra y de operación son responsables por impactos negativos sobre los recursos hídricos. (DER/SC, 1998).

La visualización 3D de la sobreposición del MDT y de los ríos y cursos de agua puede venir a ser una excelente herramienta para auxiliar en la localización y visualización de locales suceptibles a problemas ambientales considerándose el tema agua. En la figura 11, se puede verificar en algunos tramos la excesiva proximidad de la carretera al río Brazo Serafim.

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Figura 11: MDT, recursos hídricos y proyecto geométrico de la carretera.

La figura 12 presenta el proyecto geométrico de la carretera sobrepuesto al mosaico de ortofotos, mostrando el local donde el río está dentro de la franja de dominio de la carretera.

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Figura 12: Mosaico de ortofotos con proyecto geométrico de la carretera

4.- Conclusiones

A través de los productos LIDIAR, se tiene la posibilidad de generar mapas tridimensionales depurados y actualizados para proyectos y procesos de construcción de obras de Ingeniería.

Los MDTs de alta resolución proveen datos del terreno que sirven como soporte al análisis de características de interés en proyectos viales tales como declividad, aspecto topográfico, y otras características de forma de la tierra. Teniendo como base el MDT, los proyectos de implantación de carreteras pueden ser modelados y probados en un ambiente virtual antes de la construcción. El estudio del proyecto en tres dimensiones puede influenciar en las fases de construcción y mantenimiento de carreteras y puentes, y puede ser usado por projetistas y constructores para mejorar la planificación de carreteras y la programación de operaciones de mantenimiento y administración.

Otra característica de ese sensor es la posibilidad de crear mapas temáticos como de declividad y facilitar la generación de mapas de uso y cobertura de la tierra, debido a clasificación de vegetación en clases de altura.

Con la combinación del proyecto y del modelo del terreno se puede tener una visualización del impacto de la construcción de la carretera en el ambiente donde será implantada.

Además de eso, después que el mapeamiento 3D es realizado, softwares pueden ser utilizados para incorporar el modelo 3D con otras informaciones geográficas, posibilitando el análisis conjunto de los datos.

Uno de los principales problemas con relación a los datos oriundos del sensor es la dificultad de las fajas Láser en penetrar coberturas cerradas, juntamente con la dificultad del sensor Láser Escáner en definir breaklines naturales y artificiales del terreno. Esto ejerce gran influencia en la calidad final del MDT generado a partir de la nube de puntos Láser.

Otro problema dice respeto a los algoritmos de filtración y clasificación de los puntos Láser, que no fueron suficientemente eficientes a punto de presentar resultados aceptables sólo a través de clasificación automática. La edición manual con auxilio de imágenes (mosaico de ortofotos e imagen de intensidad Láser) fue esencial para aumentar la calidad de la filtración y de la clasificación de la nube de puntos Láser.

Fuente: Alexandro G. Schäfer – Fundación Universidad Federal del Rio Grande

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