Viernes, 22 Agosto 2014
Imagen en reemplazo de flash
Extracción de Formas de Drenaje por medio de la Combinación de Imágenes Ópticas PDF Imprimir E-mail
del SPOT 4 y del Modelo Digital de elevación de la misión SRTM

Actualmente, con la sofisticación y popularización de las imágenes adquiridas por plataformas aéreas y orbítales, se hizo factible actualizar las cartas topográficas existentes, por medio de imágenes de satélites siendo que, los más utilizados en Brasil, son Landsat, Spot, Ikonos, Quickbird, Cbers, entre otros. Este método consiste, en obtener las informaciones básicas existentes en la carta topográfica, sobreponer la imagen en misma escala, debidamente georreferenciada, vinculada al sistema geodésico y proyección cartográfica de interés, extraer las formas actualizadas y complementarlas en la nueva carta, reclasificar y remover las formas que ya no existen más. Como las formas de drenaje y relieve, representado por las curvas de nivel normalmente son estables, estas son mantenidas y, la primera, sirve hasta, como referencia para comparaciones y ajustes.

Hay regiones en Brasil (parte de las regiones Amazónica, Maranhão y Bahia), que aún no fueron mapeadas, en la escala 1:100.000, pues debido a las adversidades climáticas, (algunas de estas regiones están cubiertas por nubes la mayor parte del año) y de logística, la utilización de los métodos aerofotogramétricos tradicionales se hace inviable por acarrear altos costos económicos. Estas regiones son denominadas de “Vacío Cartográfico”.

La opción por la adquisición de datos de esas regiones, por medio de imagines orbitáles, debido a los bajos costos y la resolución temporal de los diversos satélites, donde se recogería obtener imágenes con menor probabilidad de cobertura por nubes para atender a los patrones cartográficos exigidos, y el mismo sería complementado con interpretación y trabajos de campo (reambulación). Debido a la inexistencia de cartas topográficas en esas regiones, la responsabilidad del técnico que interpretará la red de drenaje aumenta sobremanera, pues uno de los más importantes elementos de reconocimiento para determinación de un drenaje es la declividad, y las imágenes usualmente comercializadas son planimétricas.

El año de 2000 hubo una misión espacial denominada SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), que generó un Modelo Digital de Elevación, de aproximadamente un 80% de nuestro planeta y fue puesto a disposición por la NASA gratuitamente, vías internet, con resolución de 90 metros. Este proyecto está siendo de gran relevancia para el medio técnico cartográfico, pues además de proporcionar la visualización del relieve sombreado, aún pueden, a través de programas específicos, generar curvas de nivel, lo que a buen seguro facilitará la extracción de informaciones de una determinada área.

El objetivo de este trabajo es proponer una metodología para extracción de formas de drenaje teniendo como hipótesis que la combinación de imágenes de sensores ópticos del SPOT -4, HRVIR (High Resolution Visible and Infrared) con El Modelo Digital de elevación generado por el Sensor de Radar SIR-C (Spaceborne Imaging Radar-C) de la misión SRTM puede suministrar subsidios a los intérpretes que actúen en esas actividades para una adquisición de datos más consistentes.

2 – Caracterización del Área Piloto

El vacío cartográfico del estado de Bahia está localizado entre las coordenadas 10° S y 12° 30’ S y 37° 30’ W y 39° W, comprendiendo una área de 24000Km² representadas por ocho hojas en la escala 1:100.000 y diecisiete escenas del sensor SPOT-4, obtenidas entre los años de 1999 y 2000.

2.1- Hojas que componen el Vacío Cartográfico

La figura inferior, muestra las hojas que componen el Vacío Cartográfico en el estado de Bahia con las respectivas coordenadas geográficas que engloban el área.


Figura 3. 1 Localización del área con respectivas cartas en la escala 1:100.000

La nomenclatura de las hojas son las siguientes:

SC.24-Z-A-I, CAIMBÉ; SC.24-Z-A-II,
JEREMOABO; SC.24-Z-A-V, CÍCERO DANTAS;
SC.24-Z-C-II, ITAPICURU; SC.24-Z-C-I, ARACI;
SC.24-Z-C-IV, SANTA BÁRBARA; SD.24-X-A-I,
FEIRA DE SANTANA e SD.24-X-A-III, PORTO
SAUÍPE.

2.2 – Selección de la Hoja correspondiente al Área Piloto

Para alcanzar el objetivo fue seleccionada, como estudio, un área referente a la carta que contiene la Bahia del Río Itapicuru, pues existen cartas en la escala 1:50.000 con los datos obtenidos por la restitución fotogramétrica proveniente de la cartografía convencional, y esta forma, fue posible comparar la calidad de los datos oriundos de la metodología propuesta.

3 – Metodología

La metodología a continuación presenta los pasos para la ejecución de la extracción de la red de drenaje del Proyecto del Vacío Cartográfico de Bahia.

3.1 – Elección de la Escala y del Sensor

En este proyecto, se abordó, de entrada, la elección de la escala, pues tendría que atender los intereses de los usuarios, suplir la demanda de cartas en determinada escala y ser compatible con las imágenes de los diversos satélites disponibles comercialmente. Por fin, fue adoptada a escala 1:100.000, pues se llegó a la conclusión que atendería a los tres requisitos.

Definida a escala, la próxima etapa fue seleccionar el mejor sensor que se compatibilizará con la misma, y debido a las características del SPOT-4 , este fue el escogido, porque su resolución espacial de 10 metros en el pancromático atendería convenientemente a las necesidades para extracción de formas en la escala adoptada y también por la capacidad del sensor obtener imágenes de la misma área en ángulos de visualización diferentes.

Fue realizada una compraventa de imágenes por el IBGE y suministradas por la empresa SPOT IMAGE, siendo despertado que el espejo del sensor fuera posicionado para el área de interés con el objetivo de aumentar la posibilidad de obtenerse imágenes desplazadas de la órbita convencional, de manera de contornear el problema de la gran incidencia de nubes en la región.

3.2.- Tratamiento de las imágenes SPOT

Las imágenes SPOT utilizadas en ese trabajo fueron adquiridas en el formato 1ª (brutas), o sea, la imagen contiene datos originales con calibración radiométrica relativa y absoluta, por medio de la normalización de los detectores, sin corrección geométrica y calibración entre bandas (INPE), después de la adquisición, la corrección fue realizada utilizándose el programa PCIOrthoEngine, donde fueron seleccionados el Sistema de Proyección UTM, la elección del Huso (24), el sistema Geodésico WGS-84.

Fueron hechas las asociaciones entre los puntos de control de campo y los locales referentes a ellos observados en las imágenes y se realizó la ortorretificación de las mismas escenas la escena. Como una hoja en la escala 1:100.000 es compuesta por varias imágenes, entonces se procedió el proceso de mosaico, el mosaico fue recortado conforme el mapeamiento sistemático en la escala 1:100.000, y hecho tratamientos a través filtros y realces utilizando el programa IRAS-C de la INTERGRAPH para que la imagen quedara visualmente mejor, y de acuerdo con el objetivo del proyecto. El Sistema Geodésico permaneció en el WGS-84, pues los posteriores trabajos de campo para recolección de topónimos por GPS, serían referenciados a este sistema. Solamente después, las transformaciones serían efectuadas de acuerdo con el sistema establecido por el IBGE, en la época, que es SAD–69.

3.2.1 - Procedimientos para Ortorrectificación

Para cubrir la hoja Itapicuru fueron utilizadas 4 escenas 726/372, 726/373, 727/372 y 727/373. El MDE fue obtenido a partir de las altitudes elipsoidales de los puntos de control adquiridos con GPS, corrigiéndose la ondulación geoidal – obtenida a partir del MapGeo (para eso los puntos fueron convertidos de WGS 84 a SAD 69 en el PTOPOG).

Los puntos fueron insertados en el Spring (ASCII) para que sean exportados como DXF, siendo entonces importados para el OrthoEngine. Fue generado un MDE para toda el área, evitándose la generación de un MDE para cada imagen, a fin de minimizarse los problemas de sobreposición de imágenes.

Fueron hechas pruebas en el uso de MDE generado en el Spring además de MDE medio (media de las altitudes de los puntos de la hoja y de toda el área).

3.2.2- Mosaico de las escenas y recorte

Después de la ortorrectificación, se procedió al mosaiqueo manual en el OrthoEngine.

Las escenas fueron previamente tratadas con filtros y contrastes antes del mosaiqueo. El mosaico final fue recortado según los cantos de la hoja del mapeamiento sistemático en la escala 1:100.000.

3.3.- Adquisición del MDE SRTM

El MDE del SRTM fue obtenido gratuitamente utilizando el EROS Fecha Center (repositório de datos para América del Sur) y puede ser visitado en la siguiente dirección:

ftp://y0dps01u.ecs.nasa.gov/srtm/South_#America/

Después de la obtención del MDE fueron realizados algunos estudios para saber si las imégenes producidas por él serían compatibles con la proyección, sistema geodésico y escala.
Se llegó a la conclusión que atendería al proyecto, pues los datos suministrados por la Nasa estaban de acuerdo con los parámetros utilizados internacionalmente y sus transformaciones podrían ser realizadas sin cualquier inconveniente.


Figura 3. 2 - Imagen SRTM abierta en el global mapper

3.4.- Tratamiento del DEM

Después de que sean guardados los archivos correspondientes a las áreas deseadas, los mismos fueron descompactados en extensión Height Files hgt y pudieron ser abiertos en diversos programas. Fue utilizado el programa 3DEM, que es gratuito y de fácil comprensión.

Se utilizó, también los programas gratuitos Blackart (terrainmap,2004), para corregir algunas imperfecciones tales como la existencia de valores espúrios para las altitudes, donde se transformó los valores negativos a cero, y SRTM_Fill (3Dnature, 2004), donde fueron interpoladas áreas sin ningún valor de altitud.
Después de esta corrección los MDEs pudieron ser abiertos en otro programa, en este caso de uso comercial llamado Global Mapper para generación automática de las curvas de nivel. Posteriormente este archivo fue exportado a formato dgn de Microstation y el raster en formato tif para IRAS-C.

En todos los programas fue posible georreferenciar de acuerdo con las especificaciones de las imágenes SPOT-4, para que los mismos se compatibilizaran.

3.5.- Extracción de las formas de Drenaje

Inicialmente la extracción de los vectores correspondientes a la hidrografia fue realizada por medio de la interpretación visual de imágenes raster (SPOT-4), pancromático, resolución 10 metros utilizando el programa computacional MicroStation de la Bentley conjugado con el programa IRAS-C.

La extracción de las formas de la red de drenaje fue realizado con gran dificultad no siendo posible obtenerse el máximo de las informaciones, por el hecho del área ser hidrológicamente compleja (la mayor parte de los ríos son intermitentes debido a la baja pluviosidad) y las imágenes, por sí sólo, que no se prestaran a la percepción del contexto topográfico por ser planimétricas, y finalmente la calidad de las imágenes no era totalmente adecuada.

Después de investigaciones en internet, se descubrió la misión SRTM, en que la NASA pone a disposición gratuitamente el Modelo Digital de Elevación (MDE) de casi toda la superficie terrestre, donde estaba incluido todo el territorio brasileño.
Cuando este modelo juntamente con las curvas de nivel generadas a partir del MDE, fueron conjugados con la imagen SPOT-4, fue posible además de verificar la calidad de la red hidrográfica que ya había sido extraída, también densificar en mucho los drenajes de primer y segundo orden.

Después de la extracción de las formas de drenaje, llegaron más informaciones del campo, oriundas de los trabajos de reambulación, con las coordenadas de pasajes a vado, puentes y ríos debidamente clasificados si permanente o temporal y se pudo comparar si en esas coordenadas correspondientes a las vados y puentes pasaban ríos por bajo.

Es importante resaltar que la extracción de las formas de drenaje siempre fueron realizadas en la imagen SPOT-4, pues fueron en ellas que se pudo obtener mejor visualización de las características del drenaje.


Figura 3. 3 - Extracción del drenaje en la imagen SPOT-4.


Figura 3. 4 - Verificación del drenaje en el MDE

4.- Análisis de los Resultados

Después de que sean extraídos los vectores referentes a la red de drenaje utilizando la metodología presentada, fueron aplicados algunos procedimientos para probar la viabilidad y consistencia de los datos.

4.1.- Pruebas Realizadas

De entrada se obtuvo las hojas topográficas del área, en escala 1:50.000, donde fue efectuada la investigación con la siguiente denominación:
NUEVA SOURE, SC.24-Z-C-II-1, OLINDINA, SC.24- Z-C-II-3 y ITAPICURU, SC.24-Z-C-II-4, todas restituidas fotogramétricamente y utilizando el Sistema de Proyección UTM, Huso 24, Meridiano Céntrico 39WGr, Sistema de Referencia Planimétrica SAD-69 y Referencia Altimétrica el maréografo Imbituba, en Santa Catarina.
Fueron realizados las siguientes pruebas:

4.1.1.- Sobreposición de los Vectores drenaje 1:50.000 con MDE SRTM

Los vectores correspondientes a la red de drenaje en la escala 1:50.000 fueron sobrepuestos en el modelo SRTM, abierto en el programa GlobalMapper, con todos los parámetros de proyección y referencia coincidentes con los de las hojas que sirvieron para la prueba.

La sobreposición referente a la primera prueba fue impresa en escala 1:100.000, pues sería a escala final del proyecto, y su análisis fue visual, donde se concluye que los vectores se posicionaron eficazmente segundo a la imagen formada por el relieve sombreado. Esta prueba puede ser visualizada en la figura 4.1.


Figura 4. 1 - Drenaje en la escala 1:50.000 sobre el MDE del SRTM

4.1.2. Combinación de los vectores de drenaje 1:50.000 con vectores de drenaje 1:100.000, generados por la metodología propuesta

Los vectores correspondientes a la red de drenaje en la escala 1:50.000 fueron sobrepuestos con los vectores de la red de drenaje obtenidos por medio de la combinación de la imagen óptica, MDE y curvas de nivel.

Antes de realizar esta prueba, fueron retiradas de las cartas topográficas en la escala 1:50.000 los drenajes incompatibles con la escala 1:100.000 con el objetivo de no sobrecargar el análisis. Las mismas fueron impresas juntamente con los vectores obtenidos por la metodología propuesta y en colores diferentes para que fueran resaltadas las posibles discrepancias, conforme figura 4.2.


Figura 4. 2 - Superposición del drenaje extraído por el método propuesto (azul) con el drenaje extraído por el método fotogramétrico (verde), en la escala 1:50.000.

4.1.3.- Análisis estadístico

Para hacer un análisis métrico se utilizó como referencia el drenaje representado en la escala 1:50.000, y se optó como puntos para comparación con el drenaje extraído por la metodología propuesta, los cruces de los drenajes con las carreteras principales (R), con los puentes (P) y vados (V), pues son puntos que pueden ser identificables en el campo. Después se verificó la distancia entre los dos puntos.

Fueron identificados 91 puntos de cruce de carreteras, 13 puentes y 38 vados, totalizando una muestra con 142 puntos.

De los 142 puntos analizados, la diferencia entre las dos observaciones, 129 se quedaron entre 0m a 50m; 8 puntos entre 50m y 80m; y 5 puntos arriba 80m, siendo que 1 punto con 232,30m, y fue eliminado del análisis debido a la gran duda decurrente de la interpretación, donde solamente una investigación en campo podría dirimir esta discrepancia.

Tomándose como referencia el criterio de Patrón de Exactitud Cartográfica – PEC, definido por el Decreto 89.817 de 20 de julio de 1984 (CONCAR, 2005), que clasifica una carta cuanto su exactitud, se considera la carta de drenaje elaborado por medio de la metodología propuesta en esta disertación como clase A, porque precisamente un 91% de los puntos analizados no presentaron error superior al PEC - Planimétrico – establecido, conforme la tabla 4.1.

 

PLANIMETRIA

Categoría

Tolerancia

EMQ

A

50 m

30 m

B

80 m

50 m

C

100 m

60 m

Valores para cartas a Escala 1:100.000

Tabla 4. 1 - Clasificación de una carta a través del PEC




Figura 4. 3 – Observación de las diferencias entre los puntos

4.1.4. Análisis de las discrepancias presentadas por la misma forma

Para mejor evaluar el resultado de este trabajo, fue utilizado, también, el método de la Cuantificación de las discrepancias entre formas lineales por rectángulos equivalentes (Ferreira,1998), que propone un método que transforma dos representaciones de una misma forma en un polígono que tendrá su área y perímetro calculados analíticamente y esos valores serán asociados a un rectángulo dicho equivalente, de acuerdo con la figura 4.4.


Figura 4. 4 - Método de los rectángulos equivalentes

Fueron escogidos cuatro segmentos de drenaje de acuerdo con su representatividad en la totalidad de la hoja, principalmente en extensión. Como el río Itapicuru corta la hoja transversalmente, se optó por dos drenajes a su margen derecho y dos a la izquierda.

El valor de referencia máximo definido para la altura del rectángulo equivalente será el mismo adoptado por el PEC, en la escala final de la representación cartográfica.
Para hojas en escala 1:100.000 el valor aceptable para lo prueba de exactitud de la carta es de 50 metros planimétrico, o sea, 0,5mm medidos en la hoja.

Todo alejamiento menor que 50 metros indicará que la discrepancia entre las formas es aceptable, lo que define que la interpretación obtenida por el método propuesto fue bien sucedida para la respectiva escala.

Como ocurrió un cruce entre las formas. Los polígonos, fueron fraccionados y calculados separadamente. El área total y el perímetro del polígono formado por las formas será la sumatoria de los mismos.

Así, sea un rectángulo de lados x1 y x2, correspondiendo al ancho y alto, respectivamente.
Su área “S” es dada por: S = x1 * x2, y su perímetro “2p” por: 2p = 2x1 + 2x2.

De esta forma, el cálculo del ancho y alto fue realizado a partir de los valores de área y perímetro.
Siendo así x2 = p - x1 y S = x1 * (p - x1), que generó la siguiente ecuación:

La solución de esta ecuación irá a suministrar los valores correspondientes a los lados x1 y x2 del rectángulo equivalente.



De acuerdo con las pruebas realizadas, sus resultados son presentados en la tabla 4.2. La primera columna identifica cuáles cursos de agua utilizados en la prueba.
Las columnas “Área Total” y “Perímetro” presentan los valores totales de área y perímetro de las dos formas correspondientes al mismo elemento. Las dos últimas columnas corresponden a los valores de ancho y alto del Rectángulo Equivalente, generados por la discrepancia entre las dos formas. El indicador de esa discrepancia es exactamente la altura del Rectángulo Equivalente.

Basado en la tolerancia anteriormente definida de 50 metros para altura máxima del Rectángulo Equivalente los resultados de todos los elementos probados presentaron valores inferiores a la misma, garantizando que la dispersión media entre las formas es aceptable para la escala final de la carta.

Nombre del Curso de Agua

Área Total (m2)

Perímetro

Largo del Rectángulo Equivalente (m)

Altura del Rectángulo equivalente (m)

Río Paiaiá

1.003.124

72.651,16

72.637,35

13,81

Río Santo Domingo

339.500

23.318,80

23.304,23

14,57

Río Capeira

518.900

35.767,90

35.753,39

14,51

Río do Ingá

587.200

38.839,80

38.824,68

15,12

5.- Conclusiones y Recomendaciones

r

Después de comparar ambos vectores se verificó que el drenaje obtenido por la metodología propuesta en el presente trabajo se quedó dentro de las especificaciones establecidas por los métodos utilizados. Las discrepancias encontradas, como esperadas, se dio por la propia subjetividad de la fotointerpretación, que depende de varios factores como experiencia, acuidad visual, elementos de reconocimiento, entre otros.

La diferencia de épocas en que fueron obtenidas las imágenes de satélite (1999 y 2000) y fotografías aéreas (1984), el uso de la tierra combinados con la erosión del suelo decurrente de las alteraciones climáticas, pueden haber modificado la posición de esos canales, pues fueron observadas las mayores discrepancias donde el relieve es menos accidentado y, en una superficie con esas características, el agua aún no posee un camino bien definido.

Como la metodología presentada, combinación de sensores ópticos y MDEs generados por sensores interferométricos de radar, es relativamente nueva y es necesaria la realización de nuevos trabajos para su consolidación. Los MDEs globales generados por la misión probados presentaron valores inferiores a la misma, garantizando que la dispersión media entre las formas es aceptable para la escala final de la carta.

SRTM-Banda C, con una grilla de 90 metros y precisión vertical de 16 metros, disponibles gratuitamente en internet, necesitan de un acompañamiento mayor de las evaluaciones que están siendo realizadas por la comunidad científica. Un ejemplo de la limtación del uso del SRTM es la cobertura próxima al litoral, como es el caso de la ciudad de Río de Janeiro, donde el monte del Pan de Azúcar no tuvo su elevación representada correctamente, ver figura 5.1.

Como el sensor óptico utilizado para esta investigación fue el HRVIR, del SPOT-4, sería interesante hacer una evaluación del método por medio de la combinación del SRTM con las imágenes del mosaico ortorrectificado del GEOCOVER 2000, a partir del sensor ETM+ del Landsat-7. Las imágenes están disponibles gratuitamente en internet en la siguiente dirección: https://zulu.ssc.nasa.gov/mrsid/.

Y otros sensores también podrían ser evaluados.


Figura 5. 1 – Vista perspectiva Río de Janeiro sin la representación altimétrica del Pan de Azúcar Combinación GEOCOVER x SRTM

Fuente:

Esta dirección electrónica esta protegida contra spam bots. Necesita activar JavaScript para visualizarla - IBGE – Instituto Brasileño de Geografia y Estadística

 

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