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LÍNEA DE PRODUCCIÓN LIDAR

Lic. Javier Arellano Sánchez INEGI javier.arellano@inegi.gob.mx

Geóg. José Víctor Chávez García INEGI victor.chavez@inegi.gob.mx

Ing. Juan Javier Durón Díaz INEGI javier.duron@inegi.gob.mx

Palabras Clave: LIDAR, Control de Calidad In Situ, Cálculo de Trayectoria de Vuelo,

Generación de Nube de Puntos, Imágenes de Intensidad, Modelos Digitales de Elevación.

Resumen:

La obtención de Modelos Digitales de Elevación (MDE) se puede realizar a partir de

mediciones en campo con GPS, procesos fotogramétricos, cartografía digitalizada y

altimetría radar o láser. En el INEGI se ha incorporado el uso de la tecnología LIDAR para

su producción con la finalidad de favorecer la generación de información geográfica.

Se presentan los avances técnicos dentro de la línea de producción del INEGI para obtener

nube de puntos ajustada al terreno integradas en archivos LAS1 como insumo para generar

MDE, así como la descripción del procedimiento para obtención de Modelos Digitales de

Superficie y del Terreno e imágenes de Intensidad, con ello ampliar la visión y utilidad de la

tecnología LIDAR como parte de las actividades para proporcionar el Servicio Público de

Información Geográfica.

(1) El formato de archivos LAS es un formato público para el intercambio de datos LIDAR entre proveedores y clientes. Este formato de archivo binario es una alternativa para

los sistemas propietarios o para un sistema de intercambio de archivos ASCII que muchas compañías utilizan. El problema con los sistemas propietarios se aprecia en

que no es sencillo pasar los datos de un sistema a otro. Existen dos problemas importantes con el intercambio de archivos ASCII. El primer problema es el rendimiento,

porque la lectura e interpretación de los datos de elevación ASCII puede ser muy lenta y el tamaño del archivo puede ser extremadamente grande, incluso para

cantidades pequeñas de datos. El segundo problema es que se pierde toda la información específica para los datos LIDAR. El formato de archivo LAS es un formato

binario que mantiene la información específica para la naturaleza LIDAR de los datos a la vez que no es muy complejo.

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El contenido del presente trabajo se divide en dos partes; en la primera se describe la línea

de producción, la cobertura geodésica, la colecta de datos láser, los procesos geodésicos

correspondientes a: control de calidad en sitio, cálculo de trayectoria de vuelo, generación

de la nube de puntos, reducción del error sistemático en altura de la nube de puntos, mejora

del ajuste de la nube de puntos a campos de Control; así como los avances en la

producción de archivos LAS. En la segunda parte se describen los procedimientos para la

elaboración de MDE de superficie y del terreno e imagen de intensidad con ajuste a formato

cartográfico 1:20 000, concluyendo esta parte con la descripción de archivos de datos

auxiliares y de metadatos y, los aspectos relacionados con la exactitud del MDE. Al final se

presenta una bibliografía de material documental relacionado, un glosario de términos y

acrónimos y siglas usados en el presente documento.

3

Introducción:

El sistema LIDAR (“Light Detection and Ranging”, esto es, “Detección de Luz y Medición de

Distancias”) es la combinación de tecnologías diseñadas para la obtención de coordenadas

(X, Y, Z), de puntos del terreno mediante el uso de un sensor instalado en una plataforma

elevada. “El LIDAR aerotransportado es un sensor activo que consta de un dispositivo

emisor de luz láser y de un espejo que desvía el haz perpendicularmente a la trayectoria del

avión. El movimiento que realiza el láser, combinado con la trayectoria del avión permite

realizar un barrido del terreno”2, en donde el sensor genera y emite una serie de pulsos, los

cuales al incidir sobre los objetos o el terreno reflejan o devuelven parte de la energía del

pulso emitido al sensor (a tal efecto se le denomina eco o retorno). Así se obtiene la medida

de la distancia entre el sensor y el objeto iluminado por el láser a través del intervalo de

tiempo entre la emisión y la reflexión o retorno del pulso. Para cada pulso emitido puede

registrarse uno o varios retornos y para cada uno de ellos también la intensidad de reflejo.

Adicionalmente se utiliza una cámara Web para filmar toda la trayectoria y utilizar las

imágenes para revisión de sitios donde haya duda sobre la cobertura de datos láser.

La imagen 1 muestra el equipo LIDAR usado hasta 2006 en el INEGI, de izquierda a

derecha se muestra la PC controladora, el Sistema de Barrido con Unidad de Medición

Inercial y Unidad Integradora de Datos. La imagen 2 ilustra el funcionamiento el

levantamiento de datos láser y su liga al Sistema de Posicionamiento Global.

Imagen 1: equipo LIDAR utilizado en el INEGI 2004-2006

Imagen 2: obtención de datos láser y GPS

Para poder ubicar de manera precisa las coordenadas de cada punto reflejado por el rayo

láser se emplea conjuntamente una unidad de medición inercial (IMU, por sus siglas en

ingles) y el sistema de posicionamiento global (GPS)

2 EXPERIENCIAS Y APLICACIONES DEL LIDAR, A. Ruiz, W. Kornus Institut Cartogràfic de Catalunya

4

La IMU permite medir la orientación del sensor. Este sistema mide la variación de los

ángulos de inclinación originada por los movimientos y giros del avión durante el vuelo

(actitud de la aeronave: alabeo, cabeceo y deriva), con lo que se logra determinar la

posición del sensor. Con la información del GPS del avión en combinación con el apoyo

terrestre de las estaciones base se obtiene posteriormente a través de posproceso la

posición espacial del sensor.

La información colectada es organizada, clasificada y procesada cuidando la calidad

requerida para la elaboración y obtención de productos que aporten al mantenimiento y

actualización de la cartografía. Los productos que se generan a partir de los datos láser son

el Modelo Digital del Terreno (MDT), el Modelo Digital de Superficie (MDS), la imagen de

Intensidad y la nube de puntos, mismos que explican y detallan en la parte final de este

documento.

Líneas de producción

Existen dos líneas de producción; una es la que considera y considerará un trabajo o

simultáneo con la línea de producción de la cartografía a la escala de 1:20 000. La segunda

línea atiende diversos proyectos que se ejecutan para satisfacer necesidades específicas de

determinados clientes. A modo de ejemplo las diferentes aplicaciones según altura de vuelo

y exactitudes posiciónales requeridas para colecta de datos y su procesamiento referirse a

la tabla 1, a continuación:

Tabla 1: Tabla de aplicaciones según altura de vuelo y ángulo de barrido

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Es importante considerar que la tabla sólo ilustra ejemplos de acuerdo a la experiencia

actual y pueden variar en cuanto a su clasificación y aplicaciones con base en el desarrollo

tecnológico, optimización de recursos y equipamiento disponible.

Desde el punto de vista institucional es de mayor importancia general la primera línea de

producción; así el presente documento se enfoca en ésta y hace referencia a los insumos y

su tratamiento para producir productos intermedios o finales, así como a la relación de

trabajo entre las áreas que intervienen en el proceso.

Línea de producción normalizada

La línea de producción considera un bloque de cuatro claves cartográficas a la escala de

1:50,000. Para cada bloque se seleccionan los sitios más idóneos para ubicar equipos GPS

con dos propósitos; el primero es para establecer estaciones base con el fin de corregir

diferencialmente las posiciones del GPS instalado en el avión; el segundo para establecer

los denominados campos de control, que son útiles para determinar y corregir los errores

sistemáticos en altura de los datos LIDAR. Cada bloque se identifica con tres letras y un

número consecutivo de acuerdo a la cantidad de bloques del proyecto.

El proceso LIDAR puede definirse en términos de tres etapas con relación al porcentaje de

tiempo que consume:

� Planeación del vuelo y apoyo geodésico, 5%

� Toma de datos: colecta de datos: GPS del avión y GPS en tierra; actitud de la

aeronave; láser,10 a 15%

� Procesamiento de datos desde la extracción de todas las fuentes de colecta hasta la

obtención de archivos LAS, MDS, MDT e imágenes de intensidad , 80 a 85%

En condiciones ideales los datos del vuelo se obtienen en sesiones de 3 a 4 horas, por lo

que en un día es factible cubrir un bloque; el proceso de datos hasta la obtención de

archivos LAS se realiza en un período de tiempo equivalente a la captura de datos, siendo

posible obtener resultados preliminares durante el mismo día de la misión aérea.

Por otra parte, el tiempo de elaboración de los modelos es variable, ya que depende de la

densidad de puntos, de la extensión en área del proyecto, así como de la resolución que se

requiere de los modelos.

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Las actividades se realizan mediante la coordinación de las áreas de Operaciones Aéreas,

Geodesia y Fotogrametría, mismas que interactúan y se retroalimentan durante todo el

proceso, inclusive cuando concluye. Las áreas técnicas que intervienen y las actividades

que realizan se presentan en imagen 3.

Imagen 3: Flujo de actividades de la línea de producción LIDAR y áreas responsables

Cualquier proyecto LIDAR forma parte de un programa nacional de trabajo sujeto a planes

de desarrollo y planeación estratégica para el mejor aprovechamiento de la capacidad

instalada; dentro de la planeación se considera la diversidad climática y orográfica del

territorio.

Cobertura geodésica previa

Con las especificaciones del proyecto, la definición de zonas de trabajo y el cubrimiento a

realizar, se define la ubicación de estaciones base y campos de control a efecto de tener,

antes de la misión de vuelo, sitios con posicionamiento geodésico tridimensional ya

establecido para el proceso de todos los datos captados por el GPS del avión, lo cual

permite obtener la orientación y el cálculo de la trayectoria, generar la nube de puntos y

ajustar los puntos al terreno.

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Por la importancia dentro del proceso que tiene la cobertura geodésica en términos de la

ubicación de estaciones base y de campos de control para dar referencia espacial a la

información láser, se describe a continuación que son y su utilidad, así:

Una estación base provee los datos necesarios para un posprocesamiento diferencial que

permita efectuar el cálculo de la estimación de mejor trayectoria suavizada (SBET: Smooth

Best Estimated Trajectory, por sus siglas en inglés). Se ubica una estación dentro del

aeropuerto que sirve de base de operaciones y una más al centro del proyecto de

levantamiento de datos LIDAR, lo que asegura el cubrimiento y respaldo al equipo GPS

instalado dentro de la aeronave. Cada estación se liga al marco físico de referencia

geodésica nacional mediante el empleo de equipos de doble banda y el método de

levantamiento estático con liga a la Red Geodésica Nacional Activa (RGNA) Las posiciones

tridimensionales obtenidas previamente son introducidas en los equipos GPS cuando se

configura la medición común con el equipo GPS dentro de la aeronave.

La operación de los equipos GPS en tierra se inicia antes de la misión de vuelo y concluye

después de que se cierra la sesión láser en la aeronave. La imagen 4 resume cómo se

establecen las estaciones base y su utilidad para obtención del archivo SBET.

Imagen 4: Procedimiento para establecer una estación GPS Base

Los campos de control para trabajos LIDAR deben establecerse en áreas relativamente

planas, de forma regular, preferentemente rectangulares (canchas de fútbol o baloncesto)

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donde se miden puntos GPS distribuidos dentro de una malla regular para ofrecer una

comparación más real de los puntos LIDAR que caen dentro del campo.

A diferencia de las estaciones base y dada la cantidad de puntos, el método de

levantamiento es estático rápido con períodos de medición máximos de una hora

determinados por las condiciones de visibilidad satelital dentro de la zona seleccionada.

Los campos de control tienen como finalidad proporcionar el control de calidad de la altura

obtenida por los datos LIDAR. Su mayor utilidad reside en que permiten identificar los

errores sistemáticos en las alturas suministradas por el sistema; se consideran un mínimo

de dos campos de control por bloque de trabajo ubicados preferentemente en localidades

con rasgos culturales fotoidentificables.

Imagen 5: procedimiento para establecer campos de control

Como los campos de control son planeados y medidos previamente a la misión aérea, el

área de geodesia entrega las coordenadas de su ubicación para que el área de vuelos

realice la captura datos LIDAR sobre éstos, conformando una línea transversal a la

dirección general de las líneas del bloque. Está línea se utiliza para el control de alturas y

es la base para corregir los errores sistemáticos de distancias del sensor.

Realizada la cobertura geodésica se continúa con una serie de etapas que van desde la

misión aérea hasta la generación de archivos LAS. Consisten en la obtención de insumos,

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su procesamiento y generación de nuevos productos, lo que se describe en la imagen 5, la

cual muestra en tres columnas el tipo de datos de entrada, el proceso que se les realiza y el

producto que se obtiene.

Inmediatamente al término de la

misión de vuelo se obtienen los datos

crudos del GPS y del IMU mediante un

proceso denominado de extracción; los

datos GPS del avión son corregidos

diferencialmente con los datos GPS

colectados con la estación base en

tierra.

Se continúa con el cálculo de la

trayectoria que permite obtener la

posición de la antena GPS del avión

durante el vuelo.

El cálculo obtenido se procesa con los

datos del IMU para generar SBET, con

lo que se obtiene la posición del sensor

láser durante cada momento del vuelo.

En este momento se utilizan los datos del láser correspondiente a distancia, ángulo de

reflejo, intensidad y tiempo GPS, y los parámetros de alineación del sensor; al procesarse

con la SBET se generan los primeros archivos LAS sin corregir.

Enseguida se utiliza un software como motor gráfico al cual se le integran las coordenadas

de los campos de control para realizar la reducción de error sistemático en altura cuyo

resultado son los mismos archivos LAS, pero corregidos, que son el insumo de entrada para

los procesos de generación de MDE.

A continuación se amplia el detalle de las operaciones realizadas que permiten la obtención

y el procesamiento descrito de los datos y productos derivados hasta la generación de

archivos LAS.

Imagen 6: flujo insumo-proceso-producto para LIDAR

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Definición del barrido para la colecta de datos lás er

El barrido para la colecta de datos se realiza en sentido norte-sur en función de la

configuración de líneas en el Sistema Nacional de Fotografía Aérea a la escala de vuelo de

1:40 000. Se determina la trayectoria del avión señalando los límites de bloques mediante

las posiciones geográficas en las que se deben captar datos y deshabilitar su captura en

caso de sobrepasar el área de interés. En el caso de proyectos especiales la dirección de

las pasadas estará determinada por las necesidades del usuario y la orografía de la zona de

trabajo.

Captura aérea y entrega de información

Las operaciones aéreas consisten en planeación, delimitación de la zona a volar, plan

geométrico definitivo, definición de parámetros de vuelo, y elección de horarios de vuelos en

función de la geometría satelital. El diseño geométrico define el plan de vuelo a partir de los

parámetros de vuelo y de captura de datos, considerando además la configuración del

terreno, objetivo del proyecto, requerimientos del cliente (densidad de puntos, exactitud

espacial, y resolución del modelo), entre otros factores.

Como elementos esenciales para realizar el plan de vuelo se consideran las alturas

máximas y mínimas del área del proyecto, el ángulo de barrido, la altura de vuelo, la

Imagen 7: plan geométrico gráfico

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velocidad de vuelo del avión, la frecuencia del pulso de la señal en Hertz, y la separación

entre puntos.

A continuación se muestra una porción de una hoja de planeación en la que se señalan

algunos de los parámetros esenciales que se determinan para la misión y su seguimiento.

Imagen 8: porción de una hoja de configuración del scanner (aeroplan)

Los parámetros configurados determinan otros elementos que se deben atender durante el

vuelo. Así, para la operación del sistema se considera esencialmente: anchura de la pasada

o barrido, densidad de los puntos, puntos por línea de barrido, espaciado de los puntos,

número de pasadas requeridas, y la precisión.

Bitácoras de vuelo

En la bitácora de vuelo se especifican las situaciones que se presentan durante la ejecución

de la misión aérea, dando énfasis a las diferencias detectadas respecto a lo planeado, tales

como diferencias en la altura de vuelo, velocidad de desplazamiento del avión, ángulo de

barrido, mensajes de falla en la grabación de datos, etcétera, su utilidad es primordial para

el posprocesamiento de la información por parte del área de geodesia, en la imagen

siguiente se muestra información de algunos conceptos.

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Imagen 9: ejemplo de bitácora

Vuelo y captura de datos en el Sistema LIDAR

Durante el vuelo se monitorea la cantidad de pulsos programados respecto a la cantidad de

pulsos recibidos (>80%, ideal, de 95 a 99%). También se graban imágenes en una cámara

Web, que se utilizan para detectar información dudosa o falsa para facilitar el procesamiento

de las posiciones colectadas.

Cuando el rayo láser llega al terreno o los objetos sobre de él, se presentan diferentes

formas de retorno:

� En una superficie sólida (edificios, suelo, vehículos, etc.), el rayo se refleja de

manera inmediata al sensor.

� En el agua y el vidrio, el rayo de luz presenta reflexión especular (dispersión), que

hace que el reflejo no retorne al sensor; para estas áreas no se registran datos.

� En algunas zonas con materiales volcánicos con presencia de agua y en donde se

presenta asfalto nuevo el rayo es absorbido, y no se obtienen datos.

� En zonas de vegetación, el rayo choca con la capa superior de los árboles y una

parte del rayo retorna al sensor (primer retorno), pero otras partes pueden penetrar

entre los huecos del follaje hasta chocar con algún objeto y retornar (segundo

retorno), y otras partes siguen penetrando hasta que son reflejadas por el suelo

cuando la vegetación no es muy densa (tercer retorno).

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A efecto de tener una idea del volumen de datos captados por bloque de trabajo en cada

misión de vuelo y la densidad de puntos sobre el terreno según los parámetros configurados

se muestra el ejemplo de la tabla 2.

Altura

de Vuelo

(m)

Ángulo de

barrido

Frecuencia

de barrido

Frecuencia

de barrido

del espejo

Resultados obtenidos

6000 65° 16600 Hz 9.45 Hz

� 105 millones de puntos en 7 GB

� Densidad de puntos 0.03 m2

� 12 líneas de barrido con

sobreposición lateral de 30% más

una línea transversal a las 12.

Tabla 2: ejemplo de volumen de datos captados por bloque de trabajo según configuración La línea transversal pasa sobre la ubicación espacial de los campos de control y es esencial

para el ajuste de la nube de puntos.

Descarga de datos

Un fotonavegante descarga de los dispositivos de almacenamiento, la información del GPS

aerotransportado y datos crudos del sistema láser, incluyendo las imágenes de la cámara

Web, y entrega las bitácoras de incidencias a un técnico en geodesia, el cual procede al

respaldo de toda la información y la usa para la ejecución del control de calidad In situ.

Control de calidad en sitio

En esta etapa se realiza el procesamiento inicial de la información geodésica mediante la

combinación de los datos crudos del GPS aerotransportado y la estación base. La calidad

de la información GPS y la completitud de los datos láser son revisadas por parte de

técnicos en geodesia y de operaciones aéreas. Así, durante cada misión de vuelo, se valida

la cobertura de las pasadas del avión (en largo y ancho) y la distribución espacial y

homogénea de la nube de puntos láser.

Se efectúa el cálculo de la trayectoria preliminar (ver imagen 11) a fin de facilitar la

generación de la nube de puntos para la revisión de su disposición en altura entre las

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pasadas, con la finalidad de comprobar la cohesión entre ellas; esto es, que no haya

diferencias verticales muy significativas. Se utiliza un software específico como motor

gráfico y otro para el despliegue y análisis de los datos (perfiles, plantas, secciones).

Imagen 10: revisión de la cobertura

Cálculo de trayectoria de vuelo

Con la información GPS de la estación base se determina la posición y orientación del

sistema láser (IMU-GPS) localizado dentro de la aeronave. En términos numéricos la

corrección diferencial reúne los datos GPS (tierra-aire) para determinar la posición de la

antena en el avión cada 0.5 segundos; el espaciamiento lineal dependerá de la velocidad

del avión. Con velocidades de operación a 160 nudos se obtendría una posición cada 40

metros. Ver ejemplo gráfico en imagen 11.

Imagen 11: control de calidad de trayectoria de vuelo

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Los datos IMU-GPS se combinan a determinadas frecuencias, utilizando el programa de

posprocesamiento. Así, en lugar de tener posiciones conocidas a cada medio segundo se

obtienen posiciones a cada 0.005 segundos o 200 posiciones por segundo. El archivo de

resultado se conoce con es el SBET. El objetivo final es determinar la posición del sensor

láser en cada momento de la trayectoria de vuelo, para posteriormente obtener las X, Y, Z

de cada posición y el valor de intensidad en cada punto (ver imagen 12).

Generación de la nube de puntos

El programa de posprocesamiento combina lo que se ha recopilado, toma la SBET del

centro óptico del instrumento, del alcance y de otra información asociada al láser (hora,

espejo, ángulo, etc.) para determinar las posiciones de los puntos en un marco de

referencia cartográfico. Se utilizan los valores estimados de la calibración del sistema, con

el fin de corregir la desalineación que existe entre los planos de la IMU y el sensor del láser.

Reducción del error sistemático en altura de la nub e de puntos

La corrección de los errores sistemáticos implica la realización del ajuste de los puntos al

terreno con los datos de coordenadas de los puntos de los campos de control ajustados a la

RGNA.

Se efectúa una comparación en altura de los puntos LIDAR con respecto a los puntos GPS

medidos en los campos de control con la finalidad de obtener las diferencias y aplicar un

Imagen 12: proceso para determinar posición y valor de intensidad de cada punto en el terreno

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parámetro de corrección a la nube de puntos, y se realiza la corrección. Se generan

archivos LAS en formato binario, con el valor de posición X, Y, Z y un valor de la intensidad.

Evolución del Ajuste de la Nube de Puntos a Campos de Control

El procedimiento de ajuste de la nube de puntos ha evolucionado desde los primeros

levantamientos realizados en 2004.

En un principio el ajuste se realizaba calculando el promedio de la diferencia altimétrica de

la nube de puntos con respecto a los campos de control. La corrección se aplicaba

indistintamente a todas las líneas del proyecto, en forma de un diferencial en el valor de Z

como valor absoluto para toda la nube de puntos.

Este procedimiento aplicaba una corrección uniforme que no correspondía propiamente a un

ajuste de los datos a los campos de control; para realizarlo era necesario el reproceso de

los datos con el software ALS40PP aplicando el valor de corrección a través del parámetro

Elevation Offset.

Posteriormente, en abril de 2006, el procedimiento pasó de ser una corrección por

promedio, a un ajuste dinámico por mínimos cuadrados.

Este nuevo procedimiento, consistía al igual que el anterior, en obtener las diferencias de

altura entre la línea transversal y los dos campos de control; posteriormente se aplicaban

las correcciones en altura en forma de valores de diferencias interpoladas.

Esta corrección se aplicaba en forma automática en función de la ubicación de la nube de

puntos de cada línea con respecto a la transversal, sin considerar las diferencias reales en

altura que presentaban los datos. En este concepto de corrección, aún se pensaba que las

diferencias en altura de cada línea eran sistemáticas y que se conseguía una nube uniforme

en altura después de aplicar los ajustes.

Después de analizar los datos obtenidos de levantamientos más bajos (1500 m) se observó

que el procedimiento de ajuste de la nube a campos de control requería de un

procedimiento más riguroso, debido a que posteriormente al ajuste dinámico persistían las

diferencias en altura entre las nubes de puntos de líneas vecinas.

Por tal razón, se hizo necesaria la corrección en altura de cada una de las líneas de barrido,

tomando como base la línea transversal previamente ajustada a campos de control.

Para lograr lo anterior, se requiere realizar un ajuste combinado dinámico-valor absoluto. En

principio, se aplica el ajuste dinámico sólo de la línea transversal; posteriormente se

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compara la línea ajustada con cada una de las líneas de barrido, y se obtiene una diferencia

de altura para cada una de ellas. A partir de esa diferencia, la altura de cada una de las

líneas se corrige conforme a la comparación obtenida en relación con la línea transversal.

Este método de corrección se constituye como un método más confiable para el ajuste de la

nube de puntos a los campos de control, aunque los tiempos de procesamiento se

incrementan significativamente.

Respaldo y entrega de Información

Concluidas las etapas anteriores se realiza el

procedimiento de respaldo de los datos (crudos

y/o procesados) Se genera la estructura de

directorios para respaldo, según se muestra en la

imagen 13. La estructuración se realiza por

proyecto, la carpeta principal es la base para la

ubicación de datos fuente (información que fue

levantada durante la ejecución del proyecto) y

datos resultantes del procesamiento geodésico.

La estructuración presentada es la misma que se

utiliza para el procesamiento de información en la

estación de trabajo, lo cual permite el respaldo de

información de manera rápida y confiable.

Concluida esta actividad se informa la

disponibilidad de los resultados del proyecto a

todas las áreas involucradas para su uso en los

procesos que son de su competencia. Para ello

se copia toda la información en un servidor

informático. Imagen 13: estructura de respaldo datos del

proceso LIDAR

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Avances en la ubicación de campos de control y esta ciones base

Desde el año 2005 se han posicionado 177 campos de control y 20 estaciones base (ver

imagen 14); la mayor parte se concentra hacia el centro del territorio nacional y responde a

consideraciones de optimización de recursos y condiciones climáticas, se estimó una zona

con un radio de 250 kilómetros a partir del aeropuerto de la ciudad de Aguascalientes.

Avances en el proceso de información láser

Dentro de la línea de producción con escala de vuelo de 1:40 000 a la fecha se han procesado 20 bloques de trabajo equivalentes a 80 claves cartográficas a escala 1:50 000, distribuidas como se muestra en la imagen 15.

Imagen 14: ubicación de campos de control y estaciones base a febrero de 2007

Imagen 15: avance de proceso de archivos LAS

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Modelos Digitales de Elevación (MDT y MDS)

Un MDT, corresponde a una matriz de datos de elevación interpolados a partir de los puntos

clasificados del último retorno y habiendo eliminado aquellos puntos que no pertenecen al

terreno como los reflejados por infraestructura, vegetación o por objetos aéreos como

nubes, pájaros, etc.

Un MDS, es una matriz de datos de elevación interpolados a partir de los puntos

clasificados al último retorno y que corresponden tanto al terreno como a objetos presentes

en el suelo, como por ejemplo infraestructura y vegetación.

Imagen de Intensidad, esta imagen es formada por una matriz de puntos cuyas posiciones

son determinadas por sus coordenadas en dos dimensiones (X, Y). Es atribuido un valor de

memoria en la imagen (normalmente en una escala de 256 tonos de gris) que corresponde a

la cantidad de luz láser reflejada por cada objeto sobre la superficie terrestre.

Para llegar a obtener estos productos se tiene que realizar el siguiente flujo de procesos

(ver imagen 16):

Imagen 16: flujo proceso de producción MDE de alta resolución LIDAR, superficie y terreno

Validación y definición del proyecto LIDAR

En esta etapa se verifica la información proporcionada por el área de Geodesia para su

validación; es decir, se verifica en primera instancia que los archivos de la nube de puntos

estén depositados en el servidor de datos LIDAR. Se verifica la hoja Aeroplan para verificar

20

principalmente, los datos siguientes: altura de vuelo, velocidad de vuelo y el ángulo de

barrido, ya que existen otros valores que proporciona la hoja.

También se verifica entre otras cosas la sobreposición de las líneas de vuelo; que no haya

huecos grandes de información, que la densidad de puntos sea real, comparando los

resultados que proporciona la hoja Aeroplan con la que se realizó la planeación del

proyecto. Esto se realiza con el despliegue de la nube de puntos (ver imagen 17) en

ambiente LIDAR para obtener la densidad promedio que tiene la nube de puntos comparada

por la proporcionada por el área de Geodesia.

Imagen 17: nube de puntos LIDAR para generar MDE de alta resolución

Una vez validada la nube de puntos, se procede a definir el proyecto LIDAR en el ambiente

de trabajo, calculando en base a la densidad de la nube de puntos una división en bloques

de trabajo no mayor a 4.5 millones de puntos por bloque que permita trabajar

adecuadamente.

Preparación de la nube de puntos LIDAR

En esta etapa se realiza un corte de información de los extremos laterales de cada línea de

vuelo que conforman el proyecto para evitar inconsistencias, debido al efecto que causa el

láser. Se realiza una eliminación de puntos duplicados, es decir puntos con una misma

posición geográfica, también cuando es el caso, se eliminan los puntos que fueron captados

21

en el mar y se realiza un ajuste de la nube de puntos mediante la incorporación de la línea

digitalizada referente al límite de la costa a partir de ortofotos digitales.

Cuando la información a procesar está ubicada cerca de las zonas fronterizas

internacionales se realiza un ajuste de la nube de puntos agregando el límite de la frontera

correspondiente, para posteriormente eliminar todos los puntos que estén fuera del territorio

nacional.

Generación de la imagen de intensidad

Como un atributo que tienen los puntos que mide el sensor es la reflectividad, está se define

mediante la generación de una imagen en una escala de tonos de gris que representa la

cantidad de luz reflejada por cada objeto. Está imagen se obtiene desplegando el atributo

de intensidad de cada punto que conforman el proyecto creando un archivo digital en

formato TIFF (ver imagen 18).

Imagen 18: imagen de intensidad generada a partir del procesamiento de puntos LIDAR

Clasificación y depuración para generar el MDS

En primera instancia se realiza un proceso de forma automática en donde se ejecuta un

macro a toda la nube de puntos que conforma el proyecto con el fin de efectuar una serie de

tareas especializadas de clasificación para definir la superficie y para detectar puntos por

debajo del terreno, tanto de forma grupal como aislada.

Terminada la clasificación automática el siguiente proceso se efectúa de forma interactiva

por el especialista mediante una re-clasificación de los puntos que no se ajustaron a las

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características definidas en la clasificación automática; esto se realiza con información

auxiliar y con el despliegue de la red irregular de triángulos definida por cada punto como

apoyo, así como de su experiencia para realizar una edición de los puntos que involucra la

actualización y la corrección de errores o inconsistencias. Se requiere realizarlo desde un

editor gráfico para la depuración interactiva de puntos individuales. Las operaciones que

realiza el especialista incluyen: consultar, medir, eliminar, agregar, mover, llenar pequeños

huecos de información, cambiar atributos, delimitar áreas de difícil definición, para aplicar

una clasificación especializada, entre otras, como resultado se obtiene un modelo digital de

elevación de alta resolución como el mostrado en la imagen 19.

Imagen 19: MDE de alta resolución LIDAR, tipo Superficie

Clasificación y depuración para generar el MDT

La clasificación de terreno se realiza inicialmente con un proceso automático en el que se

ejecuta un macro a toda la nube de puntos clasificados de superficie para realizar una

nueva clasificación y definir el terreno, eliminando todos los puntos que corresponden a

objetos artificiales o naturales definidos por infraestructura, vegetación o por objetos aéreos

como nubes, pájaros, etc. Esto se realiza proporcionando los parámetros de ángulo de

inclinación del terreno, ángulo y distancia de los puntos conforme al plano de los mismos.

Terminada la clasificación automática se efectúa de forma interactiva por el especialista una

depuración de los puntos que no se ajustaron a las características definidas en la

clasificación automática. Esto, al igual que para la clasificación de superficie lo realiza con

su experiencia, información auxiliar y con el despliegue de la red irregular de triángulos

definida por cada punto, para la corrección de errores o inconsistencias mediante la

realización de consultas, medidas, eliminación, agregación, movimiento, cambio de

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atributos, y delimitación de áreas de difícil definición, a fin de aplicar una clasificación

especializada, cubrir o llenar huecos pequeños de información, e incorporar líneas de

quiebre que definan de mejor manera la forma del terreno, obteniéndose como resultado un

modelo digital de elevación como el que se muestra en la imagen 20.

Imagen 20: MDE de alta resolución, tipo Terreno

Ajuste a formato cartográfico 1:20,000 de la nube d e puntos clasificada

La definición de un nuevo proyecto y ajuste de la información clasificada tanto para el

modelo de superficie como para el del terreno es necesaria para uniformar la información

que se tiene en los bloques de trabajo y la unión de bloques de puntos clasificados hasta

completar un formato cartográfico a la escala 1:20,000.

También en esta etapa se realiza la digitalización de la línea de costa a partir de la carta

topográfica en la escala 1:50 000 serie II para eliminar todos los puntos que fueron captados

en el mar o fuera de las fronteras, incorporación de líneas de quiebre o puntos para cubrir

pequeños huecos de información, o para el tratamiento de zonas de altura constante (lagos,

embalses, etc.), esto para uniformar la información y generar la rejilla regular del MDE final.

Generación del MDE de alta resolución tipo superficie y terreno

Con todos los puntos definidos tanto para superficie como para terreno, se realiza la

construcción de la estructura auxiliar TIN o red irregular triangular, la cual está basada en

elementos triangulares que tienen como vértices los puntos clasificados. En este tipo de

estructura se pueden incorporar fácilmente rasgos que reflejan más adecuadamente la

densidad variable de puntos, y la rugosidad del terreno. Con esta TIN se densifica la

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información de elevaciones para posteriormente aplicar un método de interpolación que

dará origen a la rejilla regular con las características requeridas para el MDE.

Es conveniente mencionar que al aplicar la interpolación se realiza un procedimiento para

calcular el valor estimado de altura en una posición geográfica de la rejilla regular, a través

de los valores de altura de otros puntos cercanos a la posición geográfica que se pretende

estimar. Una vez realizada la rejilla a partir de la interpolación, ésta guarda una relación

con la superficie original dependiendo de la densidad, precisión y distribución de los puntos

con los que se realizó la mencionada interpolación.

Otro aspecto importante por considerar es la elección del tamaño de la celda que define la

resolución que tendrá el MDE, misma que influye en la pérdida o ganancia de precisión que

se deriva del tamaño de un determinado píxel. En lo que para el caso influye notablemente

la densidad y dispersión de los puntos, así como la precisión de los mismos para definir un

tamaño de píxel tal que permita cumplir con el objetivo para el cual se genera el MDE.

Conviene mencionar que el hecho de tener una mayor resolución, no implica

necesariamente mayor precisión, sino una mayor cantidad de celdas que dan origen al

modelo digital.

Como etapa final se realiza la exportación al formato de salida del modelo; dicho formato es

de tipo ráster, el cual contiene la rejilla regular con las características propias del modelo.

Elaboración de los archivos de datos auxiliares y d e metadatos

Como parte fundamental del MDE se genera toda la información auxiliar en términos de

metadatos y archivo auxiliar (ver imagen 21), en donde se encuentra la caracterización e

identificación del modelo indispensable para los usuarios.

El archivo de datos auxiliares es del tipo ASCII o de texto, el cual contiene la caracterización

del MDE, en donde se puede encontrar información de cubrimiento del modelo, dátum

horizontal y vertical, resolución horizontal y vertical, proceso de obtención, fecha de los

datos fuente con los que se elaboró el modelo, sistema de producción, ligas, fecha de

creación del modelo, clave cartográfica del modelo y la norma técnica con la cual fue

realizado el MDE.

El archivo de metadatos es de tipo HTML (ver imagen 21) y contiene información referente

al MDE de acuerdo a las características que define el estándar para metadatos

geoespaciales digitales FGDC-STD-001-1998 del Comité Federal de Datos Geográficos de

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los Estados Unidos de América. Los objetivos de este estándar es aportar una terminología

común y definiciones para la documentación de los datos, mantener una organización

interna del sitio de los datos, proporcionar la información necesaria para procesar e

interpretar los datos recibidos mediante una transferencia desde una fuente externa.

Imagen 21: extracto de información auxiliar y metadato para MDE de alta resolución LIDAR, tipo Superficie

Aspectos relacionados con la exactitud del MDE

La exactitud en un MDE es determinada por varios factores. Un aspecto es el instrumento

que se use y el método que se utilice para generarlo. Otro aspecto importante es que

independientemente del método utilizado, además de tener la información de elevaciones,

es conveniente que ésta información se enriquezca con información adicional a fin de que

la calidad y la exactitud del modelo se vea favorecida con mejores resultados.

La visualización del modelo es muy importante, independientemente del método de

obtención, ya que al hacer una verificación se pueden detectar errores tales como

irregularidades en los datos de la retícula, errores en picos y depresiones de volcanes,

definición del límite de la línea de costa, valores de alturas con diferencias notorias según la

conformación del terreno.

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Otro aspecto fundamental es que el análisis visual no es suficiente para determinar la

exactitud del modelo; es importante realizar la valoración de la exactitud mediante análisis

estadísticos del modelo en contra de alguna otra fuente independiente de mayor exactitud,

como por ejemplo puntos de apoyo geodésico medidos en el terreno.

La aplicación de una segunda interpolación para generar un nuevo modelo utilizando los

datos ráster iniciales puede degradar un poco la calidad, ya que la interpolación de

elevaciones puede representar en alguna forma la superficie del terreno, pero nunca va a

describir exactamente los valores verdaderos de elevación.

También conviene realizar verificaciones sobre aquellos terrenos que presenten dificultades

para representar adecuadamente el MDE, tales como la ocurrencia de zonas planas,

depresiones y zonas en las que se tienen alturas bajo el nivel del mar, tomando en

consideración que si no existiera el apoyo suficiente se realice un ajuste con respecto a

valores del terreno circundante, o bien incorporando información auxiliar.

Conclusiones

La actividad geodésica referente a la colecta y proceso de datos GPS es esencial para dar

soporte a las etapas del proceso LIDAR, incluyendo la fase de elaboración de los MDE.

Con la tecnología LIDAR es posible obtener resultados muy rápidos y precisos en distintas

situaciones donde los métodos convencionales para obtener MDE no son los más

apropiados. Sin embargo, esta tecnología no reemplaza a la fotogrametría, es una

herramienta más que puede ayudar en la solución de problemas específicos de la

fotogrametría o de la ingeniería.

La difusión del uso de esta tecnología y de los procesos especializados que se realizan para

la generación de MDE de alta resolución permite tener un panorama sobre los diversos

campos de aplicación.

Con la difusión de los procedimientos de obtención y ajuste de datos láser se promueve el

uso de los MDE LIDAR de superficie y terreno, para su aplicación en diversos proyectos

cartográficos.

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