Validación de Imágenes SAR

Bandas X/P y de MDT’s en aplicaciones de ingeniería básica

Fuente Infogeo: El principal objetivo de este trabajo, además de presentar una tecnología reciente y prometedora para la colecta remota de datos geográficos, es la validación de sus productos comparados con observaciones hechas por estaciones totales.
Las aplicaciones de la interferometría SAR (Radar Interferométrico de Abertura Sintética) son innumerables, presentamos aquí algunos ejemplos de utilización del Radar Aerotransportado de la Empresa Orbisat da Amazônia: el Orbisar-1.

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Desarrollado con tecnología nacional y disponible en el mercado para adquisición, instalación y mantenimiento. Se presentan los resultados de la validación preliminar de los productos: imágenes de las bandas X y P; y de modelos digitales de terreno MDT y de superficie MDS.

Introducción

Los usuarios de sistemas de información geográfica (SIGs) saben que aunque exista una enorme cantidad de datos geográficos disponibles para la mayoría de las regiones del globo terrestre, estos datos, hasta cierto punto, pueden ser considerados de baja calidad con relación a su precisión y exactitud, resolución geométrica, radiométrica y temporal y también a la integridad de sus informaciones. La escasez de datos de alta calidad, la mayoría de las veces está relacionada a la falta de inversión y a dificultades naturales, tales como: la existencia de intensa y continua cobertura de nubes y densas florestas, principalmente en las regiones comprendidas entre los trópicos, por ejemplo, la Región Amazónica. Actualmente, entre los métodos clásicos, ninguno de ellos es capaz de eliminar estas dificultades que ocurren durante la colecta de datos geográficos, necesarios a las innumerables aplicaciones.

Entre las tecnologías más utilizadas, podemos citar los levantamientos topográficos y geodésicos, la fotogrametría clásica, el LIDAR: Light Detection And Ranging y la más reciente y promisoria tecnología de adquisición de datos Validación de imágenes SAR bandas X/P y de MDT’s en aplicaciones de ingeniería básicaterrestres por interferometría (InSAR). Todos los métodos citados poseen restricciones operacionales, sin embargo, cada proyecto puede ajustarse mejor a determinada metodología dependiendo de las características de cada región y de las necesidades específicas de cada aplicación.

La mayor razón en utilizarse la metodología InSAR es su capacidad en proveer una gran cantidad de informaciones, en cualquier condición atmosférica, como en la presencia de nubes o ya sea durante la noche. El corto período de tiempo necesario para la colección de datos, utilizando el imageamiento por radar aerotransportado, es otra atractiva ventaja de emplearse esta metodología.

En las aplicaciones de ingeniería básica presentadas en este estudio fue posible obtener la aprobación de los usuarios del radar aerotransportado Orbisar-1 para la validez de los datos generados por esta tecnología. Para eso, se compararon datos de los MDTs generados por el Orbisar-1 con levantamientos topográficos de estación total. La validez de los datos altimétricos del radar fue hecha y presentada preliminarmente por las siguientes alianzas: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, ELETRONORTE y el Ejército Brasileño: Dirección del Servicio Geográfico – DSG – 4a División de Levantamiento.

El Orbisar-1 fue planificado y construido en Brasil en el 2002. Desde entonces, la metodología interferométrica SAR y el Orbisar-1 han sido ampliamente utilizadas en varios proyectos científicos. Actualmente, Orbisat está perfeccionando el funcionamiento del Orbisar-1 continuamente y resultados más precisos y confiables están siempre siendo alcanzados.

Interferometría SAR

El término interferometría deriva de la palabra interferencia, que expresa un fenómeno resultante de la interacción entre ondas de cualquier tipo. Interferometría SAR es básicamente un método que utiliza un par de imágenes SAR en el formato complejo, de amplitud y fase, para generar una tercera imagen compleja, llamada imagen interferométrica, cuya fase de cada píxel, dicha fase interferométrica, está formada por la diferencia de fase entre los pixels correspondientes a las dos imágenes originales.

La fase de cada pixel de la imagen interferométrica, durante el proceso, está relacionada con la elevación del terreno, correspondiente a la célula de resolución en la superficie, posibilitando con eso la generación de un MDT.

Principios básicos de un Radar de Abertura Sintética

El Radar de Abertura Sintética SAR es un sistema imageador activo de visada lateral, que trabaja con señales de radio en la faja de microondas. El principio básico de imageamiento SAR consiste de un radar instalado en una plataforma aerotransTapa (avión), como muestra la figura 01, u orbital (satélite).

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Figura 1: Localización del Orbisar-1 en el interior de la aeronave y respectiva aeronave.

La figura 2 ilustra esquemáticamente la cadena de producción, desde la instalación de equipo en la aeronave hasta la etapa final de entrega de los productos generados, a sus clientes.

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Figura 2: Diagrama de la cadena de producción de los datos de radar.

Produtos básicos generados por Orbisar-1

Los principales productos generados por el Orbisar-1 son los MDT y MDS y las imágenes obtenidas por medio de las bandas P y X (figura 03). El ejemplo siguiente es de la región de Puraquequara, AM, y representa el área de estudio del proyecto de la DSG, presentado en este artículo.

Generación de Curvas de Nivel

La generación de las curvas de nivel consiste en el reparto del MDT en intervalos regulares, definidos por la escala final de la carta. La figura 04 ilustra una ortoimagen carta SAR con curvas de nivel y otras facetas cartográficas.

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Figura 4: Ortoimagen carta colorida de una región en Venezuela (Proyecto Cartosur II).

Aplicaciones del Radar Orbisar-1

El campo de aplicaciones del radar aerotransportado
Orbisar-1 para la colección de datos geográficos es amplio. Día a día, la comunidad cartográfica y sus usuarios vislumbran la utilización de esta metodología como herramienta potencial y relativamente viable para la ejecución de sus proyectos. Podemos citar, además de los mapas topográficos (figura 5), los mapas temáticos (figura 6) y las ortoimágenes carta de alta resolución. Sin embargo, existe la posibilidad de obtenerse datos de elevación de la superficie que hace del MDS de Orbisat, el diferencial de la empresa en relación a sus competidores. La “diferencia” altimétrica entre el MDT generado por las Imágenes de las bandas X y P; y el MDS (Imagen de la banda X), complementada con la imagen de amplitud de banda P, relacionada con el diámetro de los troncos, permite calcular la cantidad de biomasa presente en la floresta. Esta información es fundamental en los proyectos que involucran el monitoreo y la preservación ambiental de una región (figura 7).

Otras aplicaciones en el área de mineralogía, implantación de gaseoductos y definición de áreas de preservación permanente, también están utilizando la tecnología InSAR.


Figura 5: Carta topográfica del área de Tidmarsh, Inglaterra.

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Figura 6: Carta de declive del suelo, generada por la clasificación automática de imagen.

El sector de generación y distribución de energía eléctrica también viene utilizando la tecnología InSAR en sus proyectos de implantación de usinas hidroeléctricas, así como en sus Planes Básicos de Apoyo – PBAs.

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Figura 7: Modelo Digital de Superficie – MDS.

Validación de los productos generados por el Orbisar-1

Los resultados preliminares de validez de los datos altimétricos generados por el Orbisar-1, comparados con los datos topográficos obtenidos con la estación total, fueron cedidos por importantes usuarios de esta prometedora e innovadora tecnología. A seguir, presentaremos los resultados de las validaciones realizadas por las siguientes empresas e instituciones federales, respectivamente: ELETRONORTE, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) y Ejército Brasileño, DSG:

– ELETRONORTE: Gerencia de Estudios y Proyecto Civil en Usinas Hidroeléctricas.

Proyecto: UHE Tucuruí: Mapeo por Radar en las Bandas X y P – Evaluación de la Precisión del Método. Autor: Eletronorte. Ejecución: Agosto de 2004. Objetivo: Establecer las especificaciones de los servicios para elaboración de las Curvas Cota x Área y Cota x Volumen delreservatorio, localizada en el Río Tocantins, con un área mapeada de 6.500km², cubriéndolo totalmente. Etapas:

– Adquisición de datos topográfi cos a partir del Sistema de Radar Aerotransportado;

– Cálculo del área de cada curva de nivel a partir de la cota 72 m hasta la cota mínima visible en el interior del reservatorio, intercaladas a 1 m.

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Figura 8: La diferencia máxima de altitud (MDT Orbisar-1 x Topografía) fue menor que 2 m. (fuente Eletronorte).

El gráfico anterior (fi gura 8) muestra la diferencia altimétrica encontrada por la Eletronorte comparando su perfi l topográfi co (topografía) con el perfi l obtenido del MDT (radar) de fl oresta densa. La línea amarilla representa los datos de la topografía y la línea azul las altitudes de estos puntos concedidos por el MDT. La mayor diferencia encontrada fue menor que 2 m. En la mayoría de los puntos, la diferencia fue aún menor siendo del rango de 1 m.

La línea verde representa las altitudes encontradas por el MDS. La información de la diferencia altimétrica entre los valores del MDS y MDT puede utilizarse para el cálculo de biomasa, en el caso de que se pretenda.

– Ejército Brasileño: Departamento de Ciencia y Tecnología, Dirección del Servicio Geográfico – DSG – 4a División de Levantamiento.

Proyecto: Evaluación de los datos de la Banda P en el área del CIGS (Centro de Instrucción de Guerra en la Selva) y vecindades. Autor: 4a División de Levantamiento. Ejecución: Septiembre de 2000. Objetivo: Validar el Modelo Digital de Terreno – MDT generado por el radar (Imagen de banda P), comparándolo con los datos levantados por la Estación Total: Puraquequara, AM.

El análisis comparativo de la diferencia altimétrica encontrada entre el perfi l topográfi co generado por 30 puntos levantados con la estación total y el perfi l derivado del MDT se muestra a continuación (fi gura 09). Se verificaron valores absolutos de -0,47 m para la media de las diferencias y de 1,19 m de desvío padrón. El área donde los puntos topográfi cos fueron observados se caracteriza por la cobertura de árboles.

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Figura 9: La diferencia máxima de altitud (MDT Orbisar-1 x Topografía) fue menor que 1,20 m, (fuente DSG).

– Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE: División de Procesos de Imágenes – DPI

Proyecto: Comparación de los MDTs en el área de Eucaliptos (resultados preliminares). Autor: INPE – DPI. Ejecución: inicio en 2004 y aún en fase de testeo. Objetivo: Validar el MDT y el MDS generados por el radar (Imágenes P y X), comparándolos con los datos de la Estación Total.

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Figura 10: Esquema utilizado para presentar la verifi cación del MDT de Orbisat en diferentes
coberturas del suelo. (fuente INPE).

Se midieron 29 puntos con la estación total y posteriormente comparados a las cotas con el MDT del área, el valor encontrado para los desvíos entre las mediciones no pasó de 1,4 m (figura 10). Las mayores diferencias fueron encontradas en el área de pasto. En el área cubierta por eucaliptos la diferencia fue menor, máxima de 1 m.
Consideraciones fi nales La validación preliminar de los productos generados por el radar aerotransportado Orbisar-1, hecha por importantes usuarios, por medio de sus resultados comparativos, apunta como viable y prometedor la utilización de esta tecnología, por mostrarse una poderosa herramienta de captura de datos geográfi cos, en condiciones atmosféricas adversas y con ausencia de luz natural. Principalmente en aplicaciones de ingeniería básica y en áreas cubiertas por densa vegetación, donde se espera una precisión planialtimétrica del MDT compatible con las necesidades de cada proyecto.

Fuente:

Dr. Everton V. Hemerly
Orbisat da Amazônia Ind. e Aerolevantamento S. A.
Division de percepción remota y control de calidad
MUNDOGEO

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