Nuevas Tecnologia Lidar

2008 Universidad LIDAR NEYRA LIVAQUE, MILAGROS Nacional Mayor de AND RANGING (LIGHT DETECTION .

05/11/2008

Universidad Universid ad Nacional Mayor de San Marcos

I.-

E.A.P. Ing. Geográfica

INTRODUCCIÓN

El tiempo está corriendo, hoy en día se necesita datos cartográficos exactos y actualizados. La cartografía se presenta como una herramienta básica para la planificación y gestión del territorio. Evidentemente, ello conlleva un importante esfuerzo por parte tanto de la administración, empresas e investigadores del sector. Afortunadamente, día a día van apareciendo más herramientas que permiten aumentar tanto el rendimiento como la propia calidad de los trabajos realizados. Lidar, es un tipo de tecnología que está desarrollando la cartografía a pasos agigantados, este crecimiento se debe principalmente a tres razones: rapidez, exactitud y detalle, ningún otro método de levantamiento topográfico ofrece estos tres aspectos tanto como Lidar, ya que los métodos fotogramétricos y de levantamiento terrestre a menudo proveen mayor exactitud pero difícilmente mantienen la competitividad en términos de costo y detalle. Esta tecnología tiene diversas aplicaciones como las forestales, mineras, catastrales, hidrológicas, meteorológicas; las cuales involucran a diversos profesionales en el uso y manejo de este tipo de información.

Nuevas Tecnologías Tecnologías para para Levantamientos Levantamientos Topográfico Topográfico

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I.-


INTRODUCCIÓN

El tiempo está corriendo, hoy en día se necesita datos cartográficos exactos y actualizados. La cartografía se presenta como una herramienta básica para la planificación y gestión del territorio. Evidentemente, ello conlleva un importante esfuerzo por parte tanto de la administración, empresas e investigadores del sector. Afortunadamente, día a día van apareciendo más herramientas que permiten aumentar tanto el rendimiento como la propia calidad de los trabajos realizados. Lidar, es un tipo de tecnología que está desarrollando la cartografía a pasos agigantados, este crecimiento se debe principalmente a tres razones: rapidez, exactitud y detalle, ningún otro método de levantamiento topográfico ofrece estos tres aspectos tanto como Lidar, ya que los métodos fotogramétricos y de levantamiento terrestre a menudo proveen mayor exactitud pero difícilmente mantienen la competitividad en términos de costo y detalle. Esta tecnología tiene diversas aplicaciones como las forestales, mineras, catastrales, hidrológicas, meteorológicas; las cuales involucran a diversos profesionales en el uso y manejo de este tipo de información.

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II. -


LIDAR (LIGHT DETECTION AND RANGING)

LIDAR: Acrónimo de “Light Detection and Ranging”. Su traducción literal sería “detección y medición de la luz”, y se trata de un sistema láser de medición a

distancia que se utiliza a menudo en los campos de ciencia e industria para la toma de medidas precisas en objetos lejanos e inaccesibles. Recientemente esta técnica se está introduciendo en el campo de la cartografía puesto que permite la modelización rápida del terreno en zonas con accesos difíciles. Este sistema es el equivalente óptico del sistema radar de microondas por lo que a menudo se le llama “radar láser” en la literatura anglosajona.

III.-

ORIGENES

Se basa en el sistema de medida de distancias distancias mediante láser. láser. Esto se ha venido usando desde hace tres décadas en los aparatos de medida electrónica de distancias, de forma que un distanciómetro electromagnético emitía un rayo Nuevas Tecnologías Tecnologías para para Levantamientos Levantamientos Topográfico Topográfico

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láser de luz no visible que se reflejaba en un prisma reflector situado en el otro extremo de la distancia a medir. Conociendo la velocidad de la luz y midiendo el número entero de longitudes de onda así como la porción no entera, se calculaba la distancia con una precisión de pocos milímetros por km. Este sistema tiene el mismo fundamento, pero en este caso el haz láser es muy condensado y visible (de hecho no se puede usar en determinados lugares habitados en determinadas frecuencias por si incide en los ojos de alguna persona) y mide cientos de distancias por minuto. Si el sensor lo situamos en tierra en vez de en un avión, tenemos el sistema de medida láser escáner terrestre, con el mismo fundamento. En este caso crea un modelo tridimensional perfecto con perfecta definición, del objeto a estudiar. Cada uno de los puntos de la imagen tiene coordenadas X, Y, Z de alta precisión en función de la distancia a la que se encuentre el modelo (Fig. 1).

Figura 1:Levantamiento de puente en 3Dpor láser scanner

El origen del sistema es doble, por un lado se necesitaba una máquina que pudiera entrar en lugares de alta contaminación nuclear, fugas en centrales nucleares, teledirigido y que construyera un modelo perfecto, por ejemplo del Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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interior del reactor. Por otro lado el ejército de USA buscaba un vehículo militar no tripulado (carro de combate) que fuera tomando datos en tiempo real del terreno por el que se fuera moviendo y comparándolo con la cartografía digital que transportaba, de forma que mediante inteligencia artificial, tomara decisiones sobre la ruta a seguir y lograra sobrevivir a eventuales ataques. Estos dos objetivos vinieron a dar con la idea del láser escáner. En el caso del sistema LÍDAR aerotransportado, el modelo del suelo así formado posee un alto nivel de precisión, de forma que podemos conocer las coordenadas X, Y, Z de cualquier puntos de su superficie (figs. 2). Para ello tenemos que tener en nuestro poder las coordenadas de los puntos que el avión va recorriendo en su trayectoria de levantamiento, cosa que hoy en día es posible gracias al sistema GPS que nos da las coordenadas del punto de toma con gran precisión basándose en la posición conocido de al menos tres satélites de la constelación y a la plataforma giro estabilizada IMU que aporta la posición del punto de toma en los momentos de pérdida de señal del sistema GPS

FIGURA1: Esquema sistema LÍDAR

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IV.-


COMPONENTES DEL SISTEMA LIDAR

El sistema LIDAR se instala en un avión o helicóptero y está integrado por:

1. Distanciómetro láser: Emite pulsos de luz ininterrumpidamente y capta sus retornos (también denominados ecos o rebotes). El tiempo que tarda en regresar la luz permite calcular la distancia y, de esa forma, la altimetría del terreno. Los puntos más próximos (altos) dan una respuesta más rápida.

2. Emisor y receptor 3. Sistema de barrido Incluye un espejo que ayuda a distribuir los rayos láser en la superficie de la que deseamos obtener datos y da como resultado un barrido en zig-zag.

4. Sistema Inercial: Permite registrar los valores del ángulo de las inclinaciones que la aeronave experimentó durante el vuelo (hacia delante, atrás o los lados) y, con ello, corregir los datos, refiriéndolos siempre a un plano horizontal controlado. A este proceso se le denomina orientación.

5. Sistema GPS: Permite ubicar con exactitud (en coordenadas geográficas) un punto en el marco de un sistema de referencia geodésica, en un contexto mundial. Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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Mediante el proceso conocido como cálculo de trayectoria, se combina la información del receptor GPS instalado en el sistema LIDAR aerotransportado con estaciones base GPS ubicadas en tierra, las cuales trabajan simultáneamente y sirven de referencia; a éstas se les conoce en su conjunto como la Red Geodésica Nacional Activa (RGNA).

Estación base GPS trabajando simultáneamente en la zona del levantamiento lídar

.


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V.-


FUNCIONAMIENTO DE UN LIDAR

El sistema LIDAR se mide la distancia del avión (sensor) al suelo mediante un barrido continuo, conociendo el tiempo de retorno de un pulso láser (eco) basado en los principios de la MED (Medida Electrónica de Distancias). Se necesita conocer la posición del sensor en el sistema de referencia WGS84 mediante GPS diferencial (se necesita un receptor GPS en tierra que envíe al avión correcciones diferenciales) y la orientación del sensor por la plataforma giro estabilizada IMU (Unidad de Medida Inercial) compuesta por una triada de acelerómetros y giróscopos en las direcciones de los ejes coordenados 3D. También es necesario conocer la refracción del rayo láser para aplicar las correcciones correspondientes a las distancias medidas y así tener constancia de la precisión y fiabilidad de los datos adquiridos. La captura del rayo láser reflejado (eco) se bas a en la luz difusa reflejada de todas direcciones por los objetos Sólo una mínima parte de la luz incidente vuelve al receptor. Materiales como el asfalto (negro) apenas refleja nada. Materiales de gran reflectividad (espejo) como agua en calma alejados de la vertical del avión pueden hacer que el rayo se pierda y no regrese al sensor ya que se refleja en una sola dirección. Los múltiples reflejos de los rayos láser, cada uno con su intensidad propia se crean o generan al incidir el pulso láser en los distintos puntos de los objetos (árboles, edificios, etc) ( Fig. 3). ecos en todas direcciones. Todas las superficies reflectoras, dentro de la huella del láser, generan la onda de retorno. Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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Los puntos recogidos, (patrón de escaneo del terreno), pueden conformar ó bien una red regular ó bien seguir patrones sinusoidales

Figura3 En cualquier caso no distinguen las características del terreno, es decir no definen los cambios de pendiente u otros detalles. En cualquier caso obtendríamos una “nube de puntos” con X, Y, Z, de los mismos en WGS 84.

Un análisis más sofisticado de la señal (Figs. 4) de retorno nos da información adicional 

Múltiples ecos da la altura de árboles y objetos bajo ellos intensidad del eco , el cual ayuda a la fotointerpretación.


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Figura 4 El láser incide en una superficie Diferentes ecos producidos y se refleja en todas direcciones por un elemento vertical (árbol) En la figura podemos apreciar la diferencia entre los ecos, en un terreno sin elementos verticales (suelo desnudo) tendrá un solo eco, pero si existen edificios ó vegetación, esos ecos serán múltiples, de forma que podremos discriminar entre ellos, seleccionando los que nos convengan y eliminando los otros. Por ejemplo, si seleccionamos un primer eco en un bosque tendremos la representación de las zonas más altas de la cobertura vegetal (copas de los árboles), si tomamos el 2º se nos representarán las ramas medias y si sólo el 3º, obtendremos el suelo sin cobertura vegetal. Se puede seleccionar qué eco (reflexión del rayo) nos interesa. Si seleccionamos el primer eco (parte más alta de edificios y vegetación y el último (suelo) obtenemos un perfecto modelo digital de superficies tridimensional, con X, Y, Z de cada uno de los miles de puntos que lo componen. Sus aplicaciones, son tantas que se dejan a la libre imaginación del Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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lector. Aunque no sea de aplicación en catastro, es de gran importancia la aplicación hidrológica de los datos LIDAR. La aplicación de DTM´s derivados de un levantamiento LIDAR (Láser escáner) produce

enormes

ventajas

para

modelizar áreas con riesgo de inundaciones. Con el fin de encontrar los requerimientos de la alta precisión que piden los hidrólogos, son necesarias cuidadosas aplicaciones de tecnología avanzada en el campo de los DTM. Hay que considerar, especialmente los siguientes puntos: 

Datos de escáner láser aerotransportados y georreferenciados.



Interpolación de DTM´s teniendo en consideración la información de las líneas de ruptura, extraídas automáticamente de los datos del láser escáner por medio de artilugios matemáticos.



Modelos derivados de edificios y de vegetación, que sirven para tomar en consideración superficies rugo sas influenciadas por la “escorrentía” evitando así que existan datos que falseen la información hidrológica.



Precisión de las cotas obtenidas de los DTM del escáner láser y precisión en la posición del los límites de las áreas inundadas, que fueron predichos por las riadas.

Uno de los productos más importantes es la previsión de áreas inundadas en caso de crecida para evitar daños humanos y materiales con la suficiente antelación. Valiéndose de la gran precisión del sistema LIDAR, tanto en planimetría como en altimetría, se puede incluso determinar la profundidad del agua en las zonas inundadas (curvas batimétricas). Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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VI.-

ECUACIONES DEL LIDAR

1.-

Ecuación De La Potencia Del LIDAR


La ecuación general de la potencia del LIDAR es de la siguiente forma:

La potencia índice del Lidar

.

La energía del pulso. Velocidad de la luz. . Scatterring producido por el aerosol en un corte determinado por unidad de volumen

.

Scatterring producido por las moleculas en un corte determinado por unidad de volumen

.

Extinsion en un corte determinado por unidad de volumen

.

Scatterring producido por las moléculas a la vuelta (backscattering). Scatterring producido por el aerosol a la vuelta (backscattering). Scatterring multiple de regreso Señal de fondo

.

.


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La distancia a la que el Lidar se encuentra emitiendo viene determinada por:

El scattering multiple, procedente de distintas fuentes se puede reducir limitándola apertura de visualización, por este motivo se utiliza u telescopio, para poder focalizar una zona determinada del espacio y también se puede reducir no de forma directa tratando la señal con filtros en el dominio transformado. Para ello se hace distintas tomas del ruido de fondo para poder promediar y posteriormente erradicarlo de nuestro sistema.

2.-

El Flujo De La Densidad De Skattering

Una vez visto todo esto se determinar el flujo de la densidad de Scatterring en el regreso, para el caso de estar trabajando con una partícula o molécula, se parte de: 1. La intensidad de scattered de los componentes de campo lejano, se encuentra definido por:

A los términos

e

corresponden a la fórmula del Scatterring, cuyas

expresiones son

3.-

Definición de la función de fase


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Esta ecuación se demuestra a través de la matriz de Mueller, que se escribe como:

Donde los términos de la matriz de Mueller son:

Quedando la fórmula del flujo de la siguiente forma:

Siendo s, el flujo de scattering e i el incidente, los subíndices l y r denotan la radiaciacion,

componente

paralela

y

componente

perpendicular

respectivamente. También r es la distancia donde se produce el proceso de scattering, siendo la superficie donde se produce el proceso de scattering. Quedando la formula del flujo de la siguiente forma:


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es el flujo incidente En este punto se ve interesante definir el \Backsacttering cross".Se define como la radiación cruzada que proviene de la excitación. Se tiene que es la sección del backscattering y al multiplicarlo por la densidad de flujo se obtiene la potencia total radiada. Quedando la formula del flujo como:

4.-

Potencia Por Backscattering

con el Backscattering, cuya densidad es esta dada por:

Se denota Pt como la potencia transmitida, por este motivo se rede_ne el ujo como:

At es la sección de un punto a un distancia r.Se tiene que Ar es la apestura colectora del sistema, por lo tanto la potencia se encuentra escrita de la siguiente forma:

Con esto se a terminado de definir la potencia. Pero se puede aun simplificar aún mas la formula del Lidar. Por este motivo se define un nuevo concepto que es el volumen de scatterring. Para poder definir recurrimos a la definición de los Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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coeficientes de scatterring (se utiliza la expresión del backcatterring) por lo tanto se puede poner

:

N es el numero de partículas por unidad de volumen. Quedando la formula definitiva de la potencia del Lidar:

En la siguiente figura siguiente se puede observa que la readiaci_on que llega procedente del backscattering se encuentra determinada por el volumen del scattering del LIDAR y del numero total de particular.

Grafica del backscattering y su relaci_on con el volumen

En esta figura se puede observar la interferencia del LIDAR en un rango de altura h . El LIDAR recibe la energía procedente del scattering . Se puede decir que la señal de scattering que sale de la parte de abajo sale al mismo tiempo de la parte de arriba. El número de particulas viene definido por un volumen de Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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scattering, producido por las dos tapas y _h. Por lo tanto el volumen efectivo de scatering es NAt_h2.

VI.-

PRECISIÓN DEL SISTEMA LIDAR

Fuentes del error posicional (x, y, z). Las principales fuentes del error posicional en el proceso de toma de datos de LIDAR están asociadas con:

El equipo GPS a bordo del avión, para definir las coordenadas del punto de cada toma. La unidad de navegación inercial (IMU) para estimar la posición entre los puntos fijos de GPS (puede ser un desplazamiento largo). La unidad de medida inercial (IMU) para monitorizar la dirección en la que apunta el láser. En líneas generales, el error horizontal (x, y) es mucho mayor que el error vertical (z). Valorar la precisión horizontal de las observaciones lídar es problemático. La mayoría de los láser usados en los sensores comerciales de lídar son similares y tienen una divergencia (diámetro de la base del cono que forma cada rayo láser) de entre 0.2 a 0.33 m. Esta divergencia en lo que respecta al ángulo de escáner y altura de vuelo define la huella (footprint) del lídar (típicamente entre 0.24 a 0.60 m.). Las huellas pequeñas son más adecuadas para pasar entre huecos de la cubierta vegetal.

1.-

Clasificación de los errores en los puntos Lidar


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Un pulso lídar sencillo es emitido hacia una superficie (terreno) alrededor de 10.000 a 70.000 veces por segundo. La mayoría de los sensores lídar graban la energía devuelta en forma de onda de múltiples pulsos. Entonces sólo se identifican algunos retornos (por ejemplo 4 ó 5). En algunos casos la magnitud del pulso también se graba (intensidad). (intensidad). A partir de este grupo de retornos de lídar se usan métodos automáticos y manuales para identificar ó etiquetar cada retorno como un retorno “de suelo”, ó de “vegetación” , ó “de edificio”, u otro. Mediante este proceso se puede eli -

minar la capa que se desee para filtrar información. Un operador humano analizará el grupo de candidatos de retornos de suelo para mejorar la precisión de la catalogación de puntos. El analista humano visualizará áreas pequeñas como una nube tridimensional de puntos lídar superpuesta a una ortofoto digital. Así, el proceso de etiquetado se va adaptando de forma local y subjetiva.

2.-

Fuentes cartográficas de error

Una característica bien conocida del error de las cotas observadas para la cartografía del terreno es la relación con la pendiente del mismo (Maling 1989). 1989). El máximo valor del error de elevación es una función de la pendiente del terreno. Por ejemplo, el error de cota introducido para un punto con 100 cm. de error horizontal en una pendiente de un 10 % puede aumentar a +- 18 cm. Algunos estudios anteriores en cartografía topográfica han demostrado la relación entre la densidad de puntos observados y la precisión del DEM derivado. Cuando la densidad de puntos observados crece, la precisión del DEM resultante también crece.

3.-

Resumen de fuentes de error.

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Los modelos digitales de elevaciones (DEM) producidos a partir de observaciones lídar, se crean desde retornos de los rayos láser desde el suelo. Estas cotas de “suelo” derivadas de lídar, contienen errores de tres fuentes :

Errores de cota del sistema de medida del sensor. Errores horizontales del sistema de medida del sensor. Errores del proceso de etiquetado procedente de identificar un retorno de “suelo” confundiéndolo con otro tipo de retorno (parte

superior de la cubierta vegetal, vegetación intermedia, tejados de edificios). El estado de Carolina del Norte, está recogiendo actualmente datos lídar aerotransportados para cartografiar su territorio. Los datos lídar se recogieron con un espaciamiento de 4.5 m. La precisión vertical para sus datos es de 20 cm. para condados costeros, compuestos principalmente por terreno llano y de 25 cm. para condados del interior, compuestos por terreno ondulado con colinas. Para estas zonas de Carolina del Norte, la precisión total basada en el 95% RMSE (error medio cuadrático) calculado, fue de 15,15 cm. en cota. La peculiaridad de este estudio era que los datos lídar se tomaron en condiciones de árboles con hojas (verano). Este estudio encontró que la precisión era significativamente diferente en función de las coberturas de suelo. El error en cota con los datos lídar alcanzó desde los 33 cm. (hierba corta) hasta los 153 cm. con matorral. El error en la medida de la cota de un punto lídar es de carácter acumulativo producido por varios factores. El error horizontal es una función de los mismos factores pero a menudo dominados por la altura de vuelo. El error horizontal a menudo se cuantifica en 1/1.000 de la altura de vuelo Nuevas Tecnologías Tecnologías para Levantamientos Levantamientos Topográfico Topográfico

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sobre el suelo. Es decir si se vuela a una altura ordinaria de 3.300 pies (1.000 m.) El error de posición en planimetría (x, y) puede oscilar alrededor de 100 cm. El error horizontal introducirá intr oducirá errores de elevación adicionales. La comprobación de resultados consistió en comparar los puntos lídar obtenidos con los mismos puntos, pero levantados topográficamente en el terreno mediante GPS de alta precisión. Basándose en el error observado de los puntos lídar levantados topográficamente, el error para todos el conjunto de datos fue de 21.1 cm. (RMSE) en planimetría. El error de cota (RMSE) va de 17,2 a 25.9 cm entre las diferentes categorías de usos del suelo. Los errores más bajos se observaron en puntos bajo el bosque de hoja perenne, pavimento y hierba alta. El bosque de hoja caduca y los arbustos y árboles bajos mostraron los errores más altos (de 25,9 a 23.3 cm respectivamente). En la actualidad los equipos han mejorado mucho y en la figura 5 se pueden apreciar los errores en función de la altura de vuelo, y del FOV (Field of View) del sistema. [FOV es el ángulo de abertura del barrido del terreno] En resumen, los errores vienen muy influenciados por los componentes del sistema de posicionamiento. El error GPS es relativamente constante en toda la operación. Los errores de IMU y codificador angular aumentan con la altura de vuelo y la divergencia respecto a la vertical. En breve se podrán obtener precisiones X, Y, Z con un RMSE mejores que 10 cm.

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Figura 5

VII.

GENERACIÓN DE MODELOS DIGITALES DE ELEVACIONES (DEM).

1.-

Métodos convencionales Superficie terrestre.-

Todo tipo de formas de estructuras y

vegetación, objetos artificiales (puentes, carreteras, etc), superficies temporales Definición del modelo.-

Aquellas partes de la superficie terrestre que

tienen que ser representadas en el modelo. Abstracción, idealización de la superficie terrestre. Paso de la superficie física a la superficie matemática Topografía.- Medición de puntos discretos y estructuras lineales que definan la superficie del modelo. Modelo Digital de Elevaciones.- Descripción matemática de la superficie que define el modelo, mediante puntos discretos, estructuras lineales y algoritmos

de

interpolación

apropiados

a

partir

de

modelos

fotogramétricos 3D formados en aparatos restituidores.

2.-

Generación de Modelos Digitales del Terreno por LIDAR

Una de las ventajas principales del LIDAR es que permite la obtención tanto de modelos digitales del terreno (MDT) como de modelos de elevaciones (MDE), y Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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por lo tanto, que permitirá la cartografía de múltiples elementos que no era posible capturarlos de forma remota hasta el momento.

MDT

Nube de puntos Coordenadas X,Y,Z Intensidades


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Modelos Digitales de Ciudades (Modelos Urbanos)

Los modelos digitales de ciudades son uno de los productos directos LIDAR de gran aplicación en los catastros. Facilitan, gracias a la gran precisión de lídar combinado con algoritmos matemáticos de reconocimientos de formas, planos de ciudades en tres dimensiones de rigurosa precisión plani-altimétrica. Bien es verdad que es un producto no económico debido a que la edición humana es hoy por hoy todavía necesaria, pero en breve irá disminuyendo. Con este sistema, se obtienen, a partir de un vuelo, gran densidad de puntos (varios millones) en muy poco tiempo, con una gran precisión en XYZ (10-15 cm). Además tienen muy poca importancia las sensibilidad a condiciones de Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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iluminación (día y noche) y ambientales (calima, humo, etc.) y es de rápida obtención. Se pueden determinar tanto la altura de edificios (volumetría con poca o nula revisión de campo) y de vegetación gracias a los múltiples ecos. Se puede obtener una clasificación de usos del suelo trabajando con el parámetro “intensidad” que proporciona el sistema y por último se puede combinar con

una cámara digital de pequeño formato para obtener ortofotos (más con fines de fotointerpretación que métricos). Por tanto el LIDAR puede sustituir a la Fotogrametría convencional en aquellas aplicaciones que requieren gran precisión con un esfuerzo inferior al requerido en Fotogrametría clásica sobre todo en zonas limitadas, dada la gran cantidad de puntos medidos. Este es el caso de los modelos urbanos, pero también de cuencas hidrográficas y áreas inundables, costas, gestión de obras lineales y corredores y evaluación de daños en desastres. Además ofrece alguna posibilidad de utilización en aplicaciones fuera del alcance de la Fotogrametría, ya que gracias a la capacidad multieco (o multi retorno) per-mite determinar la altura de objetos que no cubren totalmente el suelo sobre el que están situados (determinados tipos de láser (verde) pueden penetrar varios metros en el agua). Por ello puede ofrecer grandes beneficios en el tema forestal (altura de árboles y MDT en zonas de árboles con hojas) y en líneas de alta tensión (modelización de catenarias).

3.-

Post proceso de los datos LIDAR

Una vez obtenidos los datos de retorno a partir de las emisiones de láser, hay que realizar una serie de operaciones en gabinete con esa ingente cantidad de información de forma que las fases del post proceso son: Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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Proceso de datos GPS/INS: Determinación de posición y ángulos de actitud del avión. Obtención de nube de puntos XYZ. Filtrado y clasificación. Obtención de datos en formatos estándar. El principal problema que presenta el post proceso de datos LIDAR es el gran volumen de puntos a manejar (10-100 millones de puntos). Se requiere filtrar la nube de puntos para poder pasar a un sistema CAD, aquí es necesaria la intervención humana para evitar errores y repeticiones.


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VIII.- MÉTODOS DE PRODUCCIÓN DE ORTOFOTOS DIGITALES Y ORTOFOTOS VERDADERAS (TRUE-ORTO) La acepción de true-ortho (ortofoto verdadera (O.V.)) enfatiza el concepto anterior de orto imagen y se asigna al orto imagen que representa toda su imagen en proyección ortogonal. Este concepto es utópico puesto que siempre existen pequeños objetos (árboles, arbustos, farolas, etc) o grandes edificios, vegetación e infraestructura (puentes) que no están correctamente modelados ni cartografiados. En la práctica, las orto imágenes convencionales presentan desplazados (en dirección radial) las imágenes de los objetos excluidos del modelo, mientras que las O.V. corrigen adicionalmente la situación de los objetos grandes, tanto artificiales como naturales (vegetación) (J. L. Lerma 2002). Por tanto la O.V. se presenta como un nuevo sistema, revolucionario y preciso, para elaborar Cartografía Catastral Urbana con plenas garantías de capturar toda la información interesante para los fines del Catastro –precisión planimétrica, volumetría de edificios, actualización rápida, etc. Hasta ahora las ortos de gran escala (500, 1000 y 2000) de ciudades han usado MDT´s así como algoritmos y procedimientos estándar que producen los siguientes problemas Desplazamientos y ocultamientos que hacen difícil sobre imponer Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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información vectorial para propósitos de actualización de cartografía. El orto rectificación es parcialmente imprecisa geométricamente y/o incompleta (los edificios se distorsionan y se mueven de su localización verdadera debido a que no están modelados en el DTM). Usando Modelos Digitales de Superficie (MDS) y considerando áreas ocultas es posible generar O.V. que no tengan los problemas mencionados. Como vimos, un primer paso, en el campo de la orto proyección digital fue el uso de MDT (Modelos Digitales del Terreno) para generar ortos, pero el problema era que los MDT modelan la superficie del terreno sin objetos humanos.

Imagen Izqda. Ortofoto tradicional, es visible la fachada del edificio y la perspective hace que se oculte la calle opuesta. Imagen Dcha. Ortofoto verdadera, no se ven las fachadas y si las calles.

La clave es utilizar Modelos Digitales de Superficies (MDS´s), es decir un MDT pero con la captura de los datos que representen todos los objetos que hay sobre él, sean humanos (edificios, carreteras, puen tes, etc…) ó naturales (vegetación). Las ortofotos generadas con estos modelos superan las Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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anteriores deficiencias que surjan los siguientes problemas: Las ocultaciones que ocurren en las imágenes simples se tienen que rellenar con la combinación de la información situada en varias ortos adyacentes. Pero a menudo no todas las áreas ocultas se pueden completar por falta de recubrimientos. Los tejados tienen que ser modelados de la forma correcta, ya que de otra forma están distorsionados en las ortofotos o se muestran con bordes dentados. Modelar todo tipo de tejados con precisión y en detalle, puede ser complicado si el cálculo es automático ó se dispone de poco tiempo.

1.-

Generación de ortofotos verdaderas

La generación de true ortos tiene que considerar la proyección ortogonal con un MDS, la detección de áreas ocultas y el relleno de las mismas se hará tomando las partes de imagen perdidas de las ortos colindante.

Proyección ortogonal con MDS Partiendo de la base que la imagen fuente está correctamente georreferenciada, la ortoproyección es tan precisa como el modelo de superficie (MDT) que tiene debajo. Lo importante es contar un un buen MDS, si es así, los objetos humanos serán proyectados a su verdadera posición geométrica. Veamos el esquema de la ortoproyección con un MDS (Fig. 8), que es una proyección ortogonal. El problema es que las áreas ocultas por los objetos humanos no son visibles en la imagen. En la figura 9 el tejado del edificio también cubre el área de ocultación en la imagen aérea original. Si tales áreas no son detectadas por el software de rectificación la ortoproyección la rellenará exactamente con contenido de la imagen, pero de la misma imagen. Est o entonces crea el llamado “ efec to fantasma (ghosting effect)” . La ortofoto de la figura 10 muestra tal efecto. Podemos apreciar esa duplicación en todos Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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los edificios altos imágen central, aparece la cumbrera del edificio sin realizar en él la rectificación y simultáneamente la rectificada.

Detección de áreas ocultas Con el fin de superar tales efectos fantasmas hay que detectar las áreas ocultas. Esto se hace considerando la línea de vista desde el centro de proyección a un punto específico del objeto del MDS. Con una imagen fuente y un MDS es posible marcar las áreas de ocultación en la ortofoto.

Relleno de las áreas ocultas Combinando información de la imagen original con otra obtenida de varias imágenes fuente adyacente, es posible rellenar las áreas ocultas. Con un MDS e imágenes fuente con recubrimiento desde diferentes vistas (por ejemplo un bloque de imágenes aéreas) uno puede generar ortofotos con recubrimiento y obtener las zonas ocultas en una desde las otras. Fusionándo las áreas con recubrimiento, todas las partes de esas áreas que sean visibles en una de las ortofotos se pueden rellenar con información real de la imagen. Este proceso debe ser muy inteligente ya que se han de considerar todas las imágenes con sus diferentes radiometrías (intensidades luminosas), las líneas de costura (uniones de las “piezas del puzzle”) se tienen que encontrar y disimular automáticamente y las ortofotos se tienen que fusionar de forma que más tarde no sea posible ver que el conjunto final está formado por contenidos que provienen de varias imágenes. De otra forma el mosaico parecería un tapiz hecho de recortes.


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FIGURA 8


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Figura 9: Área de oclusión en imagen izqda. Se puede rellenar usando contenidos de imagen dcha.

Una ortofoto basada en un DSM y con las áreas ocultas reemplazadas (fusionadas) es conocido como “Ortofoto verdadera”. Es “verdadera” debido a

que los objetos humanos son verdaderamente proyectados (edificios) en la dirección paralela y perpendicular sobre el plano de la ortofoto.

FIGURA 10: En la imagen derecha (Fig. 10) podemos apreciar que los edificios se representan con una proyección perfectamente ortogonal (no se ven sus fachadas ni están distorsionados ni dejan áreas ocultas). Las áreas que antes estaban ocultas ahora están completamente cubiertas con información real obtenida de las imágenes adyacentes.


LIDAR

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IX.-


TIPOS DE LIDAR

Esta clasificación de los LIDARs, se basa en la toma de datos, no es la forma ni en el contenido de los instrumentos.

1.-

LIDAR Elástico

El LIDAR elástico, se caracteriza por tener a la salida del telescopio un el PMT se encuentra midiendo en la misma longitud de onda que está emitiendo el láser. Con este proceso se suele observar los procesos de backskattering2, en otras palabras mide la dispersión atmosférica y esto es usado para monitorizar los aerosoles.

2.-

LIDAR Inelástico

El LIDAR inelástico, se caracteriza por tener a la salida del telescopio un dispositivo que mide en distintas longitudes de onda, un ejemplo de esto es el Cart: Dispositivo LIDAR formado filtro+PMT a 387nm (N2) y a 408(H2O), y un laser de Nd:Yag que emite pulsos a 350mJ a 355nm. Los dispositivos más utilizados son los monocromadores dobles alimentador por una libra óptica que va desde un divisor de haz a un monocromador en 387 y otro a 408 (se suele usar cuando se está trabajando con longitudes de onda muy próximas; por el contrario se utilizan los PMT con Filtros a la salida del divisor de haz (muy usado en los LIDAR transportables). Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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X.-

MODELOS DE LIDAR

1.-

El sistema LH SYSTEMS ALS40


El sistema LH Systems ALS40 es el primer producto de la Airborne LIDAR Division de LH Systems. Esta división ha surgido como el fruto de la adquisición de la empresa Azimuth Corporation por parte de LH Systems en Mayo de 2001. En realidad el sistema ALS40 es una versión rebautizada del sistema Azimuth AeroScan, sistema bien conocido dentro del sector. El ALS40 está integrado por los siguientes componentes:

Sistema de control - (Rack)


IMU (Unidad de

Medición Inercial)

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Barredor (escáner)

Computador portátil (laptop)

Componentes del sensor LH ALS40

a) Hardware: 1. Escáner- IMU (Unidad de Medición Inercial) 2. Sistema de control - (Rack) 3. Ordenador de a bordo - Computador portátil (laptop)

b) Software: 1. AeroPlan: Configuración del sistema 2. POSPac/POSGPS/PosProc: Resolución de trayectorias 3. LIDAR post-processor: Combina los datos de trayectoria y escáner para la obtención de puntos del terreno, permitiendo la combinación de proyecciones y datums. 4. AeroPreview: Generación de ficheros bitmap de elevación/intensidad 5. Visor de ficheros ALS40 6. SOCET SET (opcional): Edición estereoscópica de los MDE 7. TerraScan (opcional): Sistemas avanzados de filtrado de datos Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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EL ESQUEMA DE TRABAJO CON EL SISTEMA

2.-

LEICA - ALS50-II

Leica ALS50-II es la segunda generación del sensor ALS50 el cual ofrece considerables mejoras:


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Emite pulsos laser a una frecuencia de 150 kHz, duplicando la anterior de 75 kHz. Ello supone la capacidad de duplicar su productividad llegan a alcanzar densidades de 8-10 puntos / m 2 con una precisión de 11 cm en altimetría. Puede operar entre 200 m y 6000 m de altura, anteriormente tenía su techo en los 4000 m. Puede alcanzar una frecuencia de barrido de 90 Hz (90 líneas por segundo). Simplifica su funcionamiento con todas sus funciones controladas con su interfaz gráfica, ya no es necesaria la configuración manual de los atenuadores. Incorpora el nuevo sensor

GPS-IMUde Leica llamado

IPAS.

Anteriormente el fabricante incorporaba los equipos GPS-IMU de Applanix. Han rediseñado los controles electrónicos para reducir en un 54% el volumen y 33 kg de peso, convirtiéndose en el sensor más compacto del mercado. Mantiene su ángulo de visión de campo variable entre 10º y 75º


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El ALS50-II es un sistema LIDAR (LIght Detection And Ranging) aerotransportado, diseñado para usos topográficos. Captura directamente la información altimétrica del terreno además de la información de intensidad retornada para diversos ecos de la señal. El sistema está basado en la medida de distancias láser e intensidad recogidas en vuelo siguiendo pasadas, a su vez está asistido por un sistema GPS e Inercial (IMU) para la determinación de la posición y orientación del sensor a lo largo de su trayectoria. En España, la empresa Stereocarto trabaja con el sensor ALS50 de Leica, ofreciendo precisos modelos digitales del terreno (DTM) y modelos digitales de superficie (DSM), los cuales tienen aplicaciones en hidrología, líneas eléctricas, monitoreo de costas, canteras, modelos 3D de ciudades, aplicaciones forestales y seguimiento de desastres que requieren de una precisa información de la superficie del terreno actualizada con rapidez.


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XI.-


EVOLUCIÓN DEL MERCADO

Los sistemas comerciales actuales son el resultado de más de 20 años de trabajo de investigación, no obstante su paso al mercado comercial es muy reciente. Así los primeros sistemas comerciales datan de 1995, por lo que un aspecto clave para valorar su aceptación por el propio sector es el análisis de su curva de adopción, al mismo tiempo que permite realizar predicciones de la tendencia en un futuro próximo. La evolución en cuanto al número de equipos instalados y la evolución prevista se reflejan en la figura

Evolución y predicción de ventas de sistemas de altimetría láser


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Como se puede observar el crecimiento en la fase inicial (1995 a 2000) es muy considerable dando lugar a un número de equipos instalados de 5 a 38, con un total de inversión en torno a los 35 M$, que se han repartido en su mayor parte (casi el 70%) entre Azimuth (actualmente integrada en LH Systems), Optech y TopEye. En cuanto a las previsiones de futuro se pueden manejar dos previsiones, la proyección establecida como el 25% de crecimiento del mercado (el experimentado entre 1998 y 2000) o la correspondiente al 35% de crecimiento (el experimentado entre 1999 y 2000). Evidentemente, estas previsiones deben contar con una posible saturación del mercado que ha sido establecida en torno a 200 instrumentos a nivel mundial, cifra que se puede establecer como el 10% de las cámaras aéreas operativas en la actualidad que nos marcarían los posibles clientes del sector. Dicho total se alcanzaría en torno al año 2005, si se cumplen las previsiones anteriormente comentadas. Esas cifras plantean un problema relativo al número de producción de equipos, que en la actualidad es de 20 anuales, que debe sufrir un incremento justificado con las buenas perspectivas económicas que se abren ante este mercado, con previsiones de inversiones en los próximos 5 años del orden de 170M$.

Costo - How much is it?


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XII.-


VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL LIDAR

El propósito principal de cualquier tecnología de levantamiento topográfico es modelar la superficie de la tierra. Lidar lo hace con una combinación de rapidez, detalla y exactitud sin igual. Como veremos, es posible realizar economías de dinero y tiempo, también, lo que hace Lidar una opción que vale la pena considerar. ¿Es Lidar la única opción hoy en día? No, Lidar tiene ventajas y limitaciones igual que cualquier otra tecnología. Para determinar cuál opción es más conviene a un proyecto particular, hay que evaluar las necesidades y restricciones, tales como tiempo y costo junto con el razonamiento para usar datos geo – espaciales

1.-

Ventajas Entrega rápida.- Plazos de entrega muy corto son posibles con Lidar

puesto que se trata de un sistema aerotransportado capaz de adquirir datos sobre cientos de kilómetros cuadrados por día. El procedimiento posadquisición es relativamente corto, tomando mucho menos tiempo que la compilación fotogramétrica tradicional.


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Cada punto cuenta con sus propias coordenadas XYZ en el mundo. Una vez calibrados, los puntos se clasifican para separar los datos vueltos que corresponden al suelos de los demás. Inmediatamente después de la clasificación, se puedes crear modelos del terreno. Esta rapidez de entrega puede resultar en economías aparte de aquellas asociadas con el uso de Lidar para volar áreas extensas. En el 2002, investigadores de la universidad iowa state en los EE.UU estimaron que economías de 11 meses y 250,000 $EE.UU eran alcanzable para un proyecto de carretera de 74km al utilizar Lidar para los estudios preliminares de ubicación. Desde entonces, la tecnología mejorada y las técnicas nuevas han llevado a la aceptación de Lidar para la ingeniería sin perder las economías de dinero y tiempo.

Cantidad de Información Los conjuntos de datos Lidar tienden a contener mucho detalle por la cantidad enorme de puntos. Densidades superiores a 1/m 2

son comunes en terreno

abierto. Esto significa que Lidar puede proveer más de un millón de puntos en un kilometro cuadrado. Encontraste, es típico compilar 20.000 puntos por kilometro cuadrado fotogramétricamente escala

Usos múltiples Adicional a la creación de DTM los datos Lidar tienen otros usos porque los pulsos láser serán reflejados por casi cualquier objeto como consecuencia habrán puntos que correspondan a la vegetación, edificios y otros objetos ,los puntos que corresponden a los objetos sobre el suelo se pueden usar para modelar los bosques, los edificios y otros elementos antropogénicos por ejemplo en los EE.UU, FEMA aprobó el uso de Lidar para levantamientos de Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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obstrucciones aeroportuarias. Un número creciente de empresas han acudido a esta técnica porque la exactitud es suficiente las interrupciones a las operaciones de aviación estén minimizadas y el análisis se puede entregar al cliente en menos tiempo

Acceso por tierra mínimo Lidar ofrece el beneficio importante de no requerir acceso directo por tierra al área de interés. Este hecho resulta en ventajas tanto de seguridad como de costo en las zonas inaccesibles o de mucho tránsito

Penetración de la vegetación Lidar puede adquirir simultáneamente información del piso y dosel del bosque. Cada pulso emitido puede producir varios datos vueltos mientras un pulso viaja hacia la tierra una porción de la energía contenida ahí adentro puede ser reflejada por un árbol al sensor. La energía restante sigue su rumbo y parte puede ser reflejada por el árbol, un arbusto o por el suelo

Datos vueltos múltiples a través de los árboles

2.-

Desventajas


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Para estas ventajas y beneficios importantes Lidar no es siempre la mejor opción

Costo para proyectos pequeños Si los plazos de un proyecto no son cortos es dudoso que Lidar sea efectivo en términos de costo para un área pequeña. La mayor parte del costo de un levantamiento Lidar se incurre en las etapas iniciales la movilización del sistema y la adquisición son más costosas en comparación con la fotografía aérea debido a que las economías monetarias de Lidar se realizan principalmente en la etapa pos adquisición el área de interés tiene que ser lo suficientemente extensa para que las economías de escala tomen efecto

Pendientes Para las aplicaciones que exigen mucha exactitud las técnicas fotogramétrica y de levantamiento terrestre pueden ser preferibles a Lidar sólo las aplicaciones de diseño a menudo requieren de curvas de nivel de 50cm o menos y de los DTM equivalentes, Lidar puede proveer tales exactitudes en terreno plano pero la exactitud será menor en las pendientes.

Flujo de agua Los datos Lidar son puntos ubicados al azar en el terreno no inteligentemente ya que no hay manera de colocar los puntos a lo largo de orillas y bordes es difícil extraer elementos de terreno como los ríos y las crestas con Lidar. Las inexactitudes resultantes a su vez pueden suavizar lo que serán elementos de terreno abruptos en muchos casos puede que esto sea problemático, dependiendo de la aplicación. Lo cierto es que sí cuando la representación exacta del drenaje es importante

Elementos planimétricos Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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Los edificios calles postes etc comprenden los elementos planimétricos. Por la misma razón expuesta en el anterior enunciado

es difícil extraer estos

elementos con mucha exactitud con Lidar Combinando fuentes Se pueden superar muchas de las desventajas de Lidar al combinarlo con la fotogrametría explotando los beneficios de ambos métodos. La extracción de la planimetría es mucho más fácil y exacta porque el operador de fotogrametría sigue los elementos visibles.

Los operadores pueden compilar con gran

exactitud las líneas de ruptura donde existen cambios topográficos abruptos. En EE.UU, FEMA requiere la adición de líneas de ruptura a los DTM de Lidar para los productos de alta exactitud aquellos usan para los estudios hidráulicos De esta manera benefician de la rapidez y detalle de Lidar y también de la calidad planimétrica y de drenaje de la fotogrametría. Lidar es una tecnología de topografía de gran valor sin embargo como herramienta autónoma no es la solución óptima para todo proyecto unicamente cuando se emplea apropiadamente se pueden realizar los beneficios de rapidez exactitud detalle y economía. Un especialista de topografía experimentado puede proveer la asesoría que necesita la mayoría de los gerentes ingenieros etc para alcanzar la máxima economía rendimiento y efectividad al seleccionar el mejor método o combinación de métodos para un proyecto específico

.


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XIII.- APLICACIONES 1.-

MODELOS DEL TERRENO

En esta aplicación el LIDAR es una técnica madura y compite o complementa a otras técnicas de captura masiva como son la fotogrametría o el radar interferométrico. Los resultados que podemos obtener en una camp aña LIDAR son muy diferentes de los que se obtienen con fotogrametría y debemos tener una idea clara de qué se puede obtener y de qué es lo que necesitamos para poder escoger entre una técnica u otra (figuras 1 y 2).


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Figuras 1 y 2. MDT LIDAR de malla 1m (Ter, cerca de Medinyà) y MDT de restitución a escala 1:1000 (La Tordera, cerca de Hostalrich) La precisión del LIDAR está limitada principalmente por la precisión con la que se puede calcular la trayectoria del sensor con DGPS/INS y por la precisión de las medidas de los ángulos que proporcionan el INS y el sistema de orientación del espejo. Las precisiones que se obtienen varían según la altitud y el ángulo de barrido. Varían entre 15- 30 cm (1 sigma) en altitud y a veces incluso mejores (Kornus et al. 2003) y entre 60-100 cm en planimetría. Con las frecuencias de los sistemas actuales es posible obtener densidades de datos de 1 punto/m2 y superiores. Podemos, por tanto, construir MDT con pasos de malla del orden del metro y precisiones decimétricas para muy diversas aplicaciones a un coste razonable. Entre estas podemos citar los estudios de riesgos de inundaciones (Ruiz et al. 2002), cálculos de volúmenes en minas a cielo abierto y vertederos, estudios de desplazamientos de arena

en

las

playas después d e tormentas, estudios de erosión,

deslizamientos de tierras, etc. Se han realizado 18224 Ha de MDT con un paso de malla de 1 m para el estudio del riesgo de inundaciones del río Ter. La figura 1 es un ejemplo extraído de este proyecto. En Kornus et al. 2003 se analizan los resultados obtenidos En la playa del Bogatell de Barcelona hemos estudiado las diferencias de volumen de arena poco después de unas tormentas que arrastraron mucha arena (figura 3, 17/4/2002) y más tarde cuando la playa ya había sido Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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regenerada (figura 4, 23/7/2002). Los dos vuelos se realizaron a 2300 m d’altitud, con frecuencia de barrido de 42 Hz y 5º de semiángulo. Se seleccionó

divergencia de 0.2 mrad. Los MDT generados son de 1 m de paso de malla.

Playa del Bogatell el 17/4/2002.

Playa del Bogatell el 23/7/2002. A partir de estos MDT se ha generado el modelo de diferencias (figura 5) y se han estudiado los volúmenes de arena desplazados y las variaciones en la superficie de la playa (tabla 1 y figura 6). No se han tenido en cuenta los cambios en la arena sumergida porque este sensor no proporciona información batimétrica. La línea que aparece en la parte superior del modelo de diferencias corresponde a la balaustrada del paseo marítimo. Es un artefacto debido a que la resolución en planimetría es del orden de 1 m.

Tabla 1. Diferencias en volumen de arena desplazada y superficie de playa. Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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Diferencia de volumen positiva Diferencia de volumen negativa Diferencia de superficie positiva Diferencia de superficie negativa

23884 m3 4320 m 12082 m 239 m


Aportación d la regeneración realiz Volumen reutilizado en otro lugar Superficie regenerada Pérdida de superficie

Diferencia de modelos. En general, en zonas con poco relieve el empleo de LIDAR suele ser preferible a la fotogrametría o siempre que se requiera gran precisión en altitud o gran densidad de puntos medidos. También en las zonas cubiertas de vegetación como veremos a continuación. Los programas de clasificación automática permiten extraer de los puntos medidos aquellos que pertenecen al terreno con gran fiabilidad, aunque debido a la complejidad del terreno y el gran número de puntos capturados siempre encontraremos algunos mal clasificados. Estos errores de clasificación deben ser corregidos manualmente. Los productos habituales de una campaña LIDAR serán los puntos irregulares clasificados como pertenecientes al terreno o no y el modelo digital del terreno sin vegetación ni edificios. Normalmente, los MDT procedentes de LIDAR carecen de líneas de quiebre pero esta carencia se ve compensada con una densidad muy alta de puntos masivos. Sobre las superficies de agua el LIDAR proporciona muy pocos puntos debido a la reflexión especular del pulso láser Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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que impide en ocasiones que el eco regrese al sensor. A esta dificultad se une el hecho de que en las márgenes del río la vegetación suele ser muy abundante. En ríos y canales es muy recomendable introducir líneas de quiebre que unan puntos próximos con la misma cota porque de esta manera mejora mucho el modelo del terreno. Sobre los ríos y en los cruces entre vías de comunicación encontraremos numerosos puentes. En el caso de que la observación LIDAR no sea vertical podemos obtener puntos tanto sobre el tablero del puente como bajo éste. Es necesario decidir si el MDT debe mantener las elevaciones por encima de los puentes o si éstos deben ser eliminados en el proceso de edición. Por ser un sistema basado en GPS las alturas medidas serán elipsoidales. Deberemos disponer de un geoide para poder pasar a alturas ortométricas.

Figura 7. Detalle del río Terri antes y después de la inserción de líneas de quiebre en los márgenes del río.

Las técnicas de proceso de datos para otras aplicaciones están me nos desarrolladas pero los avances tanto de los algoritmos académicos como Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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de los programas comerciales son muy rápidos.

Cambios en la línea de costa.

2.-

APLICACIONES FORESTALES

El LIDAR proporciona puntos sobre cualquier objeto situado sobre el terreno, en particular sobre la vegetación. En un bosque, si los espacios entre las hojas son lo suficientemente grandes, algunos pulsos láser alcanzarán el suelo y podremos, con ellos, construir un MDT. Muchos de los puntos rebotarán en la vegetación a diferentes alturas y esto nos abre el camino para nuevas aplicaciones. El LIDAR es la única técnica de teledetección capaz detectar Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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simultáneamente el terreno y la vegetación. Es sencillo obtener un modelo de altura de la vegetación, calcular la altura predominante de una zona o detectar los árboles más altos. Se define el coeficiente de penetración como el cociente entre los puntos que alcanzan el suelo y los puntos totales. Este parámetro está muy relacionado con la fracción de cabida cubierta (porcentaje del terreno cubierto por la proyección vertical de la vegetación). Con altas densidades de puntos (alrededor de 10 puntos/m2) se pueden detectar de manera automática los árboles individuales y calcular los tamaños de las copas (Hyyppä 1999). En bosques con una única especie arbórea se puede estimar el volumen de madera y el diámetro del tronco. Como tenemos rebotes a diferentes alturas cabe la posibilidad de estudiar la estratificación vertical de la vegetación y la biomasa.

Figura 8. Plataneras en Vila-Roja

Vemos en la anterior un perfil perpendicular de una misma plantación de plataneras. La densidad es de 1,96 puntos/m2. En una dirección los árboles individuales son perfectamente identificables mientras que en la dirección


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perpendicular esta identificación no es posible porque las ramas están entrelazadas.

3.-

APLICACIÓN EN MODELOS DE CIUDADES

En la actualidad se está avanzando mucho y muy rápidamente en la detección automática de edificios pero los programas disponibles necesitan todavía mucha ayuda por parte de un operador y la obtención de modelos vectoriales de ciudades es todavía muy costosa (Soininen, 2002). Estos modelos son necesarios para la generación de ortofotos estrictas y de modelos de realidad virtual. Para las aplicaciones en las que no se necesita un modelo vectorial, los datos del LIDAR permiten construir un modelo de superficie aproximado muy rápidamente Es el caso de los estudios de emplazamientos de antenas de telecomunicaciones o para verificaciones catastrales.


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Vista perspectiva del centro de Girona con tintas hipsométricas.

4.-

APLICACIÓN EN CARTOGRAFÍA DE LÍNEAS ELÉCTRICAS

El cartografiado de líneas eléctricas es una aplicación en la que no existen otras técnicas que compitan con el LIDAR. Interesa obtener la distancia de los cables al terreno, a la vegetación y a los edificios. Empleando configuraciones específicas del equipo es posible obtener muchos puntos sobre los cables. Se genera un modelo del terreno y a continuación se ajusta un modelo de catenaria para cada cable. Los puntos restantes pertenecerán a la vegetación o a los edificios y podemos calcular su distancia a los cables. Los puntos demasiado próximos se consideran peligrosos y podemos generar un listado de puntos peligrosos con sus distancias a los cables y un mapa con las distancias mínimas de los cables a la vegetación y al suelo.

Línea de media tensión entre Olesa de Montserrat y Collbató.


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5.-


OBTENCIÓN DE UN DTM PRECISO PARA LA REALIZACIÓN DE UN

MODELO HIDRÁULICO DE LA CUENCA DEL RÍO EBRO La finalidad del trabajo ha sido la obtención de un DTM preciso para la realización de un modelo hidráulico para la urgente reparación de daños producidos por la avenida en la cuenca del Río Ebro los días 4 a 10 de febrero de 2003. Puesto que lo que el cliente necesita es un Modelo Digital del Terreno preciso de la zona indicada se han planteado todas las opciones posibles para abordar dicho trabajo. Las principales opciones para realizar un DTM son: topografía clásica, fotogrametría, y LIDAR. La primera técnica propuesta, topografía clásica, ha quedado descartada por la extensión de la zona a levantar (46900 ha). La decisión final ha sido entre la fotogrametría digital y el sistema LIDAR. Finalmente se ha optado por realizar el trabajo mediante LIDAR, por ser una técnica novedosa que garantiza rapidez de resultado y un coste más ajustado que la fotogrametría (gran ahorro en el trabajo de campo). El sistema LIDAR garantiza unas precisiones de 15 cm en altimetría, valores adecuados para el trabajo requerido. El trabajo se extiende por la zona inundable del río Ebro entre Miranda de Ebro y Zaragoza, con una superficie de 46900 ha, y una longitud aproximada de 270 km


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En la imagen superior se aprecia como en el tramo de Miranda de Ebro a Calahorra la superficie levantada a ambas márgenes del río es inferior que en el tramo Calahorra Zaragoza, donde la orografía del terreno es mucho más suave. Se ha determinado que la altura de vuelo debería estar entorno a los 1200 m para conseguir un ancho de malla final de 2 m, y para ello se han empleado 13 días de vuelo efectivos, entre el 3 y el 11 de octubre. Para poder georeferenciar el DTM, se han dispuesto de una serie de estaciones GPS en tierra, que han registrado observaciones satelitales al mismo tiempo que se efectuaba el vuelo. De esta forma, combinando las observaciones GPS de las estaciones base con las registradas por el receptor del avión, se obtiene la posición del emisor láser en cada momento. Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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A partir de las estaciones REGENTE, vértices de la ROI y clavos NAP, se obtuvieron unos parámetros de transformación para la zona, para pasar del sistema de referencia global WGS84 (sistema de medición GPS) al sistema local ED50 (en el que debe estar el producto definitivo) y al sistema altimétrico local. El método utilizado ha sido el clásico de 7 parámetros Las coordenadas (X,Y y Z) de la nube de puntos que forma el terreno, están calculadas usando los datos de los procesamientos GPS, INS (Sistema Inercial de Navegación) y finalmente las medidas de distancias láser. Los puntos se clasifican, primeramente, en una malla de 0.5 m y con una resolución en altura de 0.01 m. Posteriormente se crea un malla de 2 m que es la que se entregará al cliente como producto final. El cálculo del DSM LE (modelo digital de la superficie, último eco) se realiza con los datos del último eco, que son los valores más bajos, de menor intensidad. De esta manera, el DSM calculado, contiene información de las alturas de los edificios, de la vegetación, del terreno y de otros rasgos. El ruido de los datos se elimina mediante un filtrado. El modelo puede mostrar manchas debido a la no reflexión de los rayos láser, dando como resultado áreas sin datos. Normalmente estas zonas son áreas de agua o superficies negras elevadas. El DTM (modelo digital del terreno) se calcula a partir del DSM. Para obtener un modelo sin edificaciones ni vegetación es necesario filtrar los datos de forma que se deje el terreno libre de objetos no deseados, resultando del filtrado una superficie nítida..Los agujeros que aparecen del DTM filtrado, son eliminadas


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por interpolación. Este modelo recibe el nombre de FMDT (Modelo digital del terreno “lleno”).

Habitualmente, el resultado es un archivo ASCII que contiene la posición de los puntos de la malla con su altura asociada.

6.-

APLICACIONES LIDAR MEDICIÓN DE CONTAMINANTEs

Los

principales

componentes de la atmósfera que más preocupan en la

contaminación del aire son el ozono y las partículas suspendidas. Las partículas aumentan las enfermedades cardiovasculares. El ozono es una especie tóxica que causa problemas en el sistema respiratorio. El sistema LIDAR, consiste en dirigir un haz de luz láser con una longitud de onda correspondiente (por lo general, a la franja visible o ultravioleta) al aire que contendría las moléculas cuya presencia y cantidades se desea determinar. Se mide la radiación que disperse la sustancia buscada, la cual está relacionada con su concentración en el aire. La dispersión Raman es un proceso que ocurre cuando la radiación óptica se dispersa de las moléculas de la atmósfera. Se utiliza para medir partículas suspendidas. El Ozono se mide usando DIAL (Differential Absorption Lidar). Se trabaja en condición de resonancia, o sea, en aquella en que la luz del láser es absorbida por dicha sustancia. El láser de excitación emite pulsos de pocos nano segundos y se mide el tiempo entre la salida del pulso y la llegada de la señal dispersada, el que permite conocer la concentración del compuesto dispersante a diferentes alturas. Es necesario tener en cuenta la capacidad de dispersar la luz que tienen Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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distintas zonas de la atmósfera, variable de acuerdo con las propiedades físicas locales de esta (así, la dispersión que produce una nube es diferente de la producida por el aire sin nubes). La atmósfera origina un fondo de dispersión que nada tiene que ver con la señal de la especie química que se desea analizar. Para substraer el efecto del fondo de dispersión de la señal del contaminante buscado se usa un segundo láser, que opera fuera de la zona de resonancia. LIDAR es una técnica muy poderosa y selectiva, cuya principal desventaja es su costo, pues se necesita una fuente de excitación diferente para cada sustancia. La tendencia más actualizada de la química atmosférica es emplear

técnicas, generalmente de tipo óptico, capaces de determinar

simultáneamente y en forma continua varios parámetros químicos. Dado que las moléculas de cada sustancia tienen características espectrales distintivas, la espectroscopia óptica es capaz de distinguir y cuantificar los diversos componentes de la atmósfera, incluso los contaminantes. Utiliza métodos que hacen uso de la absorción, emisión o dispersión de la luz en diferentes zonas del espectro electromagnético, tanto infrarroja como visible y ultravioleta. Las inferencias espectrales se valen de refinados procesamientos electrónicos, los que pueden distinguir las señales de los contaminantes en estudio de las demás, sean de componentes naturales de la atmósfera o de otros contaminantes.


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7.APLICACIONES DEL LIDAR PARA EVALUACIÓN DE PELIGRO Y RIESGO En el caso del Centro Nacional de Prevención de Desastres, se ha establecido que la aplicación del LIDAR permitirá contar con información de precisión, indispensable para llevar a cabo estudios sobre peligros y riesgos. En este sentido el uso de LIDAR para la determinación de la amenaza de fenómenos de origen geológico, hidrometeorológico y químico resultará indispensable para cuantificar su intensidad y el impacto en la población y medio ambiente. En cuanto a los datos con los que se han trabajado se encuentran los modelos digitales de alta resolución de los volcanes Popocatépetl y del Fuego en Colima, con el fin de mejorar los modelos sobre flujos de materiales volcánicos, adicionalmente se tiene información sobre la cuenca del Río Huixtla, esto con el fin llevar a cabo evaluaciones de peligros así como estudios hidrológicos muy precisos. La imagen LIDAR obtenida por INEGI, requiere de un procesamiento de los datos crudos de x, y, z; en un lenguaje plano, éstos hay que guardarlos en una base de datos para generar un archivo shape de puntos y posteriormente transformarlos en una malla continua de datos, como lo es un raster, formato que permite la visualización de las elevaciones. El proceso es tardado, además de que exige una capacidad alta de procesamiento y memoria

en

las máquinas;

y cuando

se

pretende

utilizar

esta

información de manera urgente, resulta casi imposible la inmediata disponibilidad de los datos.


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Tanto para el CENAPRED como para otras instituciones el tiempo de respuesta es un parámetro muy importante en la atención de emergencia, así como para el conocimiento del medio físico de un sitio, por lo que se encuentra necesario que la información de LIDAR ya cuente con un procesamiento anterior para su visualización en formatos tif, grid o bil. LIDAR es una tecnología muy precisa por lo que es solicitada por algunas instituciones para estudios una

tecnología

específicos, sin

embargo;

costosa, aproximadamente 1 km2

aún

resulta

cuesta según INEGI

$10,000 (pesos), limitando la adquisición de estas imágenes a una zona muy pequeña del país, por lo que se obliga a las instituciones a solicitar otro tipo de datos con menos precisión comparado con LIDAR. Esta problemática disminuye si se abaratan los costos de la adquisición de imágenes, provocando una mayor compra de datos a INEGI de parte de más instituciones y propiciando que se creen grupos de trabajo para unir esfuerzos para el procesamiento de los datos, así como desarrollo y generación de productos con valor agregado, con el fin de utilizar los datos y aprovechar la información de diferentes temas (CNA, SGM, SAGARPA, SEGOB, etc.)

8.-

APLICACIONES DEL LIDAR EN LA VALORACIÓN DE LA

PELIGROSIDAD POR CAÍDA DE ROCAS EN VALL DE NÚRIA Contexto geológico y geodinámico Litología y estructura El Valle de Núria se encuentra en la zona axial de los Pirineos donde afloran los materiales más antiguos del sistema montañoso que corresponden a rocas Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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metamórficas de la unidad de Carançà. La estructura regional está fuertemente afectada por ambas orogenias, Herciniana y alpina. Las orientaciones y las medidas de diversas juntas y su tratamiento estadístico han permitido identificar las principales familias de discontinuidades [2] que se muestran en la sgte tabla.

Orientación y espaciado medios de las tres familias de discontinuidad detectadas en la Dent d’en Rossell

Las características intrínsecas de los gneises y la intensa fracturación que presenta el macizo rocoso condicionan el relieve morfológico del valle. Este relieve es particularmente abrupto en la Dent d’en Rossell, donde las paredes

rocosas llegan a ser subverticales y los desniveles son de orden métrico. El sector también se caracteriza por presentar escalones estructurales que forman franjas y explanadas de orden métrico y decimétrico, orientadas según las principales familias de discontinuidades. Riesgo de desprendimientos en la Dent d’en Rossell.

Los desprendimientos tienen unas características particulares respecto otros peligros, dado que la peligrosidad que llevan asociada suele ser dispersa. Este tipo de fenómeno es el resultado de un proceso evolutivo en el cual interactúan muchos factores (litología, fracturación y agentes geodinámicos externos como


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la gelifracción y la acción de las raíces). Cada desprendimiento es único y específico, y se origina de manera repentina dadas unas condiciones.

En la Dent d’en Rossell, la orientación de las pendientes y de ciertas familias

de discontinuidades dan lugar a la existencia de áreas potencialmente inestables que pueden generar caídas de rocas. La relación entre ellos genera bloques individualizados de dimensiones variables. La evidencias más recientes de actividad son los eventos ocurridos los meses de marzo, abril y junio del 2003: 3 de m arzo del 2003:

El desprendimiento de una masa rocosa entre 5-8 m3 de volumen, causó diversos daños a la cubierta de la salida norte del Túnel del Fénech. Por los indicios observados, la zona de salida se sitúa a unos 100 m de altura sobre la traza, en la vertical de la salida norte del Túnel del Fénech. La trayectoria de la masa movilizada resiguió un escalón estructural hasta la cubierta del túnel, donde quedó una parte del volumen total de material movilizado (roca, tierra y vegetación). Por los impactos del terreno y la vegetación y por los bloques que se frenaron, la trayectoria siguió vertiente abajo cruzando el camino de Querabls a Núria. El alcance máximo del desprendimiento llegó hasta el río Núria. El volumen máximo de los bloques que se pararon a lo largo de la trayectoria fue de 0.5 m3.


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Desprendimiento del 3 de marzo del 2003. En amarillo la trayectoria seguida por las rocas.

4 de abril del 2003: A las 5:55 h de la mañana una masa de roca, situada en la vertical del PK 8+500, se desprendió del macizo, cerca del túnel del Navarro, a unos 120 metros de altura de la vía del Cremallera. En este punto el macizo está constituido por rocas metamórficas (gneises) intensamente afectados por la fracturación regional. El volumen de salida estimado fue de unos 50 a 70 m3, que equivaldrían a más de 130 Tn. La trayectoria del desprendimiento fue rectilínea, atravesando la traza del Cremallera, el camino pedestre, situado unos 50 m por debajo, hasta llegar al río de Núria. La gran magnitud del Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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desprendimiento agotó la capacidad de absorción de 3 líneas de pantallas dinámicas de 6 m de altura y 5000 kJ instaladas en el 2000 y el 2001, provocando graves daños en la catenaria, la vía y el muro de piedra. Una parte del volumen movilizado se frenó en las primeras terrazas existentes en la vertiente y en las barreras dinámicas, un volumen considerable se paró en la plataforma del cremallera y la mayor parte se depositó como tartera por debajo de la traza, llegando poco material al río.

Desprendimiento del 4 de abril del 2003. En azul las barreras dinámicas. En rojo el camino superior del desprendimiento.

15 de junio del 2003: A las 23:30 h del día 15 de junio se produjo un desprendimiento en el talud cercano a la traza del Cremallera a la altura del PK 9+050, en la boca norte del túnel del Fénech. La zona de salida se situó a unos 8 m por encima del nivel de la vía y los bloques siguieron una trayectoria rectilínea que atravesó el camino Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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hasta el río de Núria. El volumen de salida fue de unos 17 m3, unas 40 Tn. El desprendimiento incidió de forma directa sobre un palo de catenaria y la plataforma de la vía, donde se quedaron parados unos 8 m3 del volumen movilizado. El resto de material formó un depósito que se extendió a lo largo de la vertiente entre la traza y el río abriendo un corredor en el bosque. El camino de Romeu quedó obstruido por la acumulación de árboles y bloques. En el río de Núria, se acumularon algunos bloques de grandes dimensiones.

Desprendimiento del 15 de junio del 2003. El área rayada en rojo indica la superficie de deslizamiento.


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Aplicaciones del LIDAR en la valoración de la peligrosidad Detección de áreas potencialmente inestables Como ya se ha comentado previamente, la identificación de las áreas susceptibles de generar desprendimientos rocosos en el sector objeto de estudio es una de las principales tareas a realizar en la valoración del riesgo donde la tecnología LIDAR puede aportar mejoras substanciales. Uno de los casos más claros, es la utilización del MED para analizar la interacción entre las características de la superficie topográfica (morfología del relieve, pendiente, orientación, etc.) y las características estructurales del macizo rocoso (existencia de una o más familias de discontinuidades, orientación y pendiente de estas, etc.). Para llevar a cabo esta interacción y localizar así las áreas favorables a la inestabilidad se ha utilizado un software desarrollado por el Centre de Recherche sur l’Environnement ALPin (CREALP) como herramienta de trabajo dentro de lo que se conoce por Metodología Matterock . El principio básico de este software está relacionado con las condiciones necesarias de orientación y buzamiento de los planos de discontinuidad en el macizo rocoso para que puedan desencadenar un desprendimiento, dependiendo de la orientación y el buzamiento de la superficie topográfica. El programa considera que cada 4 puntos del MED constituyen una celda. Entre estos cuatro puntos interpola un plano con una orientación y buzamientos propios, de manera que la superficie topográfica queda definida por una malla regular de puntos con coordenadas (x,y) y un valor de elevación correspondiente a la altura en m.s.n.m. Así pues, se ha analizado la interacción del MED obtenido por métodos tradicionales (con un paso de malla de 15x15 m) (Figura A) y los dos MED Nuevas Tecnologías para Levantamientos Topográfico

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obtenidos por la combinación del LIDAR aéreo y terrestre (con un paso de malla de 8x8 m y 2x2 m respectivamente) (Figura B y C), con los datos estructurales. Por la orientación de la vertiente en la Dent d’en Rossell, sólo se

han considerado los datos correspondientes a las familias F1 y F2 ya que el papel de la familia F3 en este sector juega un papel secundario en la estabilidad del macizo rocoso. MED de la Dent d’en Rossell. A: obtenido a partir de métodos convencionales. Malla 15x15 m. B y C: MED’s obtenidos mediante

LIDAR con malla 8x8 y 2x2 m respectivamente. En rojo la traza del Cremallera, en verde los túneles del Fénech y del Navarro . Los resultados de la interacción se han representado en tres mapas que identifican las zonas favorables a la inestabilidad (Figuras 11, 12 y 13). En cada uno de ellos está representado el sumatorio de las áreas favorables a la inestabilidad obtenidas del cruce del MED con F1 y las obtenidas del cruce del MED con F2.


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De la observación de les figuras se extrae que con el MED obtenido mediante métodos convencionales (paso de malla de 15x15 m) las áreas favorables al desprendimiento tienden a agruparse homogeneizando los resultados, aunque en los tres casos la proporción entre las áreas favorables y las desfavorables se mantenga prácticamente constante. Esto significa que el uso del MED obtenido mediante el LIDAR, no aporta, en este caso, nuevas áreas fuente si no una redistribución de las zonas susceptibles y consecuentemente una mayor precisión de los resultados. En la Figura 11 se observa que sólo las zonas de salida de los eventos de Abril y Marzo se encuentran dentro de las áreas favorables detectadas con la malla 15x15. Probablemente se deba a que el episodio de Junio se produjo en el talud adyacente al Cremallera y este no es detectado por este paso de malla. De los MED’s obtenidos mediante LIDAR (Figuras 12 y 13), se puede observar

que existe una diferencia en la distribución de las áreas favorables. En la malla 2x2 se detectan las tres áreas que originaron los desprendimientos de Marzo, Abril y Junio del 2003, mientras que la malla 8x8 sólo detecta el área favorable que desencadenó el evento de Marzo. Esto puede ser debido a la escala óptima de trabajo en el sector objeto de estudio. El relieve de la Dent d’en Rossell presenta unas morfologías característi cas con unas dimensiones

determinadas, como por ejemplo el talud adyacente a la traza el cremallera, que sólo pueden ser detectadas y modeladas con precisión si se utiliza el MED de 2x2 m. Aplicación del LIDAR para la estimación de la peligrosidad en la zona de desencadenamiento


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Una vez establecidas las características de las familias de discontinuidades (orientación, buzamiento y espaciado medios) y las áreas donde la existencia de éstas puede dar lugar a desprendimientos, la probabilidad de encontrar al menos una discontinuidad en una determinada superficie puede ser evaluada utilizando el número medio de discontinuidades contenidas dentro de esta superficie. Esta

probabilidad

puede

asumirse

como

una

primera

cuantificación de la peligrosidad. El valor obtenido es equivalente a la peligrosidad máxima , es decir la probabilidad de que en un área determinada haya al menos una discontinuidad. Este tipo de aproximación también se puede aplicar en el caso de que las familias de discontinuidades den lugar a cuñas. En este sentido, el software Matterocking 2.0, no sólo está diseñado para localizar las áreas favorables a la inestabilidad, sino también para estimar otros parámetros como el número de cuñas que interceptan la superficie topográfica por celda del MED. Este cálculo asume que las discontinuidades son infinitas, y por tanto, además de la orientación de las discontinuidades, es necesario conocer el espaciado medio (L) de cada familia. Es importante tener en cuenta que la peligrosidad no es únicamente función de las características estructurales del macizo rocoso, por tanto, seria necesario hacer un cálculo completo de la peligrosidad teniendo en cuenta otros parámetros como el tipo de roca, las condiciones climáticas, el volumen de la masa desprendida, etc. Mediante el uso de un sistema de información geográfica, el número de cuñas por unidad de celda obtenida con el software Materocking 2.0, se ha


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