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LOS SIG COMO HERRAMIENTA TECNOLOGICA PARA LA GENERACIÓN Y COMPARACIÓN DE CARTOGRAFÍA

M.Sc, Steven Oreamuno Herra Escuela de Topografía, Catastro y Geodesia

Universidad Nacional Costa Rica

Email: soreamun@una.ac.cr RESUMEN

EL gobierno de Costa Rica ha realizado grandes esfuerzo durante años para realizar cartografía por medio de la fotogrametría aérea, la cual es una ciencia desarrollada para obtener medidas reales a partir de fotografías, para realizar mapas topográficos, mediciones y otras aplicaciones geográficas. Se utilizan fotografías tomadas por una cámara especial situada en un avión, las distorsiones de las fotografías se corregían utilizando un aparato denominado restituidor fotogramétrico. En este trabajo se expone la aplicación de un Sistema de Información Geográfica en la comparación de cartografía topográfica generada con imágenes satelitales ortorrectificadas con las generadas por medio de fotos aéreas a escala 1:5000 en lo que respecta a la calidad, exactitud y procesamiento de la misma (satelital) como herramienta nueva aplica en Costa Rica. Palabras claves: SIG, Comparación, imágenes

THE SIG LIKE TECHNOLOGICAL TOOL FOR THE GENERATION AND COMPARISON OF CARTOGRAPHY

ABSTRACT The government from Costa Rica has carried out big effort during years to carry out cartography by means of the air photogrammetry, which is a science developed to obtain real measures starting from pictures, to carry out topographical maps, mensurations and other geographical applications. Pictures are used taken by a special camera located in an airplane, the distortions of the pictures were corrected using an apparatus denominated photogrammetry restitution. In this work the application of a System of Geographical Information is exposed in the comparison of topographical cartography generated with images satellital orthorectify with those generated by means of air pictures to scale 1:5000 in what concerns to the quality, accuracy and prosecution of the same one (satellital) as new tool it applies in Costa Rica. Palabras claves: SIG, Comparison, images

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1. Introducción al tema

La evolución tecnológica hace posible disponer de herramientas capaces de materializar, sobre una carta topográfica distintos tipos de información actualizada referida a una determinada zona de interés. Por ejemplo la tecnología espacial ofrece la posibilidad de obtener un conocimiento puntualmente detallado del terreno. El principio consiste en utilizar fotografías tomadas por una cámara especial situada en un avión, en esas fotografías aparecen todos los detalles naturales y artificiales del terreno. La combinación o superposición fotografías del mismo terreno tomadas desde ángulos diferentes se crea una imagen estereoscópica que permite visualizar el terreno de forma tridimensional. Utilizando un aparato denominado restituidor fotogramétrico se corrigen las distorsiones geométricas de las fotografías y se restituyen en modelos tridimensionales para preparar la realización de un mapa. Mediante el uso de equipos de trazado de mapas muy precisos se representa la verdadera posición de los elementos naturales y artificiales, destacamos por ejemplo la orografía y las alturas de todos los puntos del área que abarcará el mapa. Los límites, las carreteras y otros elementos se trazan a partir de estas imágenes. Con este trabajo se realizó una comparación entre la metodología de producción cartográfica aérea y la metodología de producción cartográfica basada en imágenes satelitales de alta resolución espacial (1,00 m de exactitud), utilizando un Sistema de Información Geográfica en la localidad de Buenos Aires del cantón de Puntarenas en Costa Rica. Los resultados permitieron confirmar las bondades y defectos de la fotogrametría con imágenes satelital, como herramienta nueva aplica en Costa Rica para la elaboración de cartografía topográfica.

2. Estado del Arte/ antecedentes / revisión bibliográfica Como parte de los beneficios de las imágenes obtenidas por los satélites de teledetección, podemos decir que ofrecen una perspectiva única de la Tierra, sus recursos y el impacto que sobre ella ejercen los seres humanos. La teledetección por satélite ha demostrado ser una fuente rentable de valiosa información para numerosas aplicaciones y una de ellas es la fotogrametría. El valor de las imágenes de satélite y la información extraída de ellas es evidente, ya que ofrecen una visión global de objetos y detalles de la superficie terrestre y facilitan la comprensión de las relaciones entre ellos que pueden no verse claramente cuando se observan a ras de tierra. Por supuesto, el carácter "remoto" de la teledetección aumenta también este valor, proporcionando una visión parcial del globo sin tener que moverse de la oficina. Además de estas ventajas evidentes, las imágenes de satélite y los Sistemas de Información Geográfica muestran, literalmente, mucho más de lo que el ojo humano puede observar, al desvelar detalles ocultos que de otra forma estarían fuera de su alcance. El valor práctico y la multiplicidad de aplicaciones de las imágenes satelitales y de los SIG continúan aumentando. Por otro lado, en la fotogrametría a lo largo de sus más de 140 años de existencia, ha pasado por etapas que integran la más altas tecnologías: analógica (medios óptico-mecánicos, 1851 a 1980), analítica (medios mecánicos y computacionales, 1980 a 1995) y digital (1995 a la fecha), siendo su aplicación más tradicional la de obtención de mapas topográficos a partir de fotografías aéreas.

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La fotogrametría digital implica el análisis, interpretación, cálculo, almacenamiento y manejo de imágenes procesadas en una computadora, lo que permite que la mayoría de las tareas de cálculo, visualización y producción sean altamente automatizadas y precisas, obteniendo productos tales como:

Modelos Digitales de Elevación (DEM por sus siglas en inglés): sobre la base de miles y

hasta millones de puntos 3D, georreferenciados. Ortofotos y Mosaicos Digitales: Georreferenciadas, y libres de efectos de

desalineamiento, brindando oportunidades de análisis fotointerpretativos sin precedentes. Como por ejemplo el análisis por bandas de color para la detección de agua, minerales, vegetación, entre otros.

Integración directa a Sistemas de Información Geográfica (SIG) y de Sistema de

Posicionamiento Global (GPS por sus siglas en inglés).

Objetivo General

Comparación de cartografía topográfica generada a partir de imágenes satelitales de alta resolución a escala 1:5000, con la elaborada por fotos aéreas utilizando una herramienta SIG.

Objetivos específicos

1. Experimentar la utilización de la tecnología satelital en la elaboración de cartografía

topográfica de la zona de estudio. 2. Realizar un análisis comparativo entre la fotogrametría satelital y la fotogrametría aérea,

desde la perspectiva de procesamiento, calidad y de exactitud. 3. Aportar a las instituciones públicas y privadas de Costa Rica una experiencia sobre la

aplicación de la tecnología de imágenes satelital para la producción cartográfica.

3. Materiales, datos y métodos El trabajo se desarrolló en el cantón de Bueno Aires de Puntarenas, cuya área de estudio es de un polígono cuadrado de 6km x 7km, abarcando el centro de población de la ciudad de Buenos Aires, tal y como se ve en la figura 1.

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Figura 1: Representación del área de trabajo en la imagen del sensor IKONOS a una

resolución de 1m tomada en febrero del 2008. Imagen cortesía de la empresa INGEO S.A

A continuación se presenta de forma secuencial las diferentes actividades o fases que se realizaron:

3.1 Adquisición de las fotografía aéreas tomadas por el Programa de Regularización del Catastro-Registro de Costa Rica, así como la cartografía a escala 1:5.000 de la zona en estudio Para llevar a cabo la producción cartográfica por parte del Programa de Regularización del Catastro-Registro de Costa Rica, la Unidad Ejecutora contrato dos vuelos para la toma de fotografía a color. Uno de ellos fue a escala 1:25.000, para la producción de cartografía digital y ortofotos escala 1:5.000. En la figura 2 se detalla la producción cartográfica en esta escala.

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Figura 2. Cartografía a escala 1:5.000, generada a partir de fotografías aéreas

Fuente: Programa de Regularización del Catastro y Registro de Costa Rica

3.2 Adquisición de las imágenes satelitales de la zona en estudio

Se adquirieron las 2 imágenes del satélite IKONOS, con estereoscopía de la zona de estudio, a una resolución de 1,00m de pixel. Dichas imágenes fueron tomadas en febrero del año 2008 y donadas por la empresa INGEO S.A, para poder realizar esta comparación.

Estas imágenes cuentan con 4 bandas:

La imagen blanco y negro (Pancromática) Ikonos de 1 metro que corresponde a la bando pancromática. Esta es la imagen que se utilizo para este trabajo, la cual se encuentra en el espectro de color entre 0,45 – 0,90 micrómetros y tienen el nombre de po_272749_0020000 y po_272749_0030000.

3.3 Trabajos topográficos -Establecimiento, observación, señalización de los puntos de control

Se realizó un levantamiento topográfico con los fines de determinar puntos de apoyo fotogramétricos (PAF), que permita orientar las imágenes satelitales de la zona de estudio, para su posterior ortorrectificación.

Para dicho levantamiento se utilizaron receptores GPS de doble frecuencia marca GR3 de la empresa Topcon, cuya precisión en el método estático a nivel horizontal es de 3mm ± 0,5 ppm y a nivel vertical de 5mm ± 0,5ppm. Con respecto al software de procesamiento GPS se utilizó el Topcon Tool 7,2 como programa de cálculo y conversión de coordenadas.

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El punto ETCG es observado continuamente por medio de un receptor GPS de dos frecuencias marca Trimble 5.000 y con una antena TRM4249.00. Los datos están a disposición en dos formatos, uno de ellos es el formato universal RINEX, los cuales se recopilan en intervalos de 30 segundos, mientras que los otros datos que son en el formato propio del fabricante Trimble (Dat) se recopilan a intervalos de 15 segundos.

Como punto fijo para la vinculación de los puntos de control al sistema CRTM05, sistema oficial del país, se utilizó las coordenadas del punto ETCG, las cuales están referidas a la placa metálica ubicada en la parte superior del pilar del edificio de la Escuela de Topografía, Catastro y Geodesia de la Universidad. Ver figura 3.

Figura 3 Punto ETCG

Fuente: http://www.etcg-gps.una.ac.cr/

Otro punto que se uso como fijo, fue el punto CDTO, ubicado en la subsede Coto, perteneciente a la sede Brunca de la Universidad Nacional de Costa Ricay en donde el Observatorio Vulcanológico y Sismológico de Costa Rica (OVSICORI), estableció una estación de medición continúa de GPS( Ver figura 4), con el objetivo de tener una mejor configuración de la red de apoyo que se utilizaron como fijos para todo el proceso fotogramétrico.

Figura 4. Punto CDTO

Fuente: Observatorio Sismológico y Vulcanológico de Costa Rica (OVSICORI) Se debe de aclarar, que las coordenadas del ETCG están referidas a la época 2005.83, Marco Internacional Terrestre de Referencia ITRF 2000, que corresponde con el datum geodésico y oficial de CR05. Las mediciones sobre el punto CDTO se realizaron en las fechas 23 de agosto del 2009. Para efecto de la investigación, se asumió como coordenadas de partida o fijas las

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obtenidas directamente del ajuste del punto CDTO y ETCG, las cuales se muestran en el cuadro 3. Sin embargo, y para tener una confirmación sobre las coordenadas del punto CDTO se realizó el siguiente procedimiento:

1. Procesamiento de los archivos originales de medición con el software de ajuste de coordenadas CSRC ( Canadian Spatial Reference System).

2. La coordenadas elipsoídicas del punto anterior, se transformaron a CRTM05, cuyas diferencias respecto a las obtenidas con el programa topcon tools 7.2, fueron del orden de los 13cm en el norte y 5cm en el este. Se debe notar que los resultados dados por el software CSRC, están referidos al ITRF 2005, lo cual representa una diferencia respecto a la definición del CR05.

3. Luego se realizó una transformación de coordenadas espacial de Helmert, de forma de

llevar las coordenadas dada por CSRS al datum CR05. Los resultados de esta transformación brindan diferencias en el orden de los 5 cm en el norte y de 7 cm en el este.

4. Se debe mencionar, que estos parámetros de transformación no son oficiales, sino parte de una investigación de la Escuela de Topografía, Catastro y Geodesia de la Universidad Nacional, sin embargo, dieron resultados satisfactorios para este trabajo. Los parámetros utilizados se pueden ver en el cuadro 1.

Tabla 1: Parámetros de transformación del datum CR05, ITRF00, época 2005,83 al datum ITRF05, época 2009,26

Fuente: Escuela de Topografía, Catastro y Geodesia

Parámetro Valor Desviación estándar

Traslación en X + 0,0698 m ± 0,0140 m

Traslación en Y - 0,0588 m ± 0,0140 m

Traslación en Z + 0,0874 m ± 0,0140 m

Factor de escala - 0,2826 ppm ± 0,1062 ppm

Rotación en X - 0,1014 " ± 0,0486 "

Rotación en Y + 0,0417 " ± 0,0220 "

Rotación en Z - 0,0623 " ± 0,0338 "

3.4 Ubicación de los puntos de control

En el software Arc Gis 9.2, se elaboró un proyecto con una de las imágenes satelitales sin georreferenciar y se trató de ubicar objetos que fueran totalmente visibles en la imagen. Se creó un “shapefile” de puntos para ubicar un elemento de estos (puntos), en cada uno de los objetos identificados en la imagen.

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Una vez identificados los posibles puntos de control en la imagen, se procedió a buscar directamente en el campo, con el objetivo de ubicar un receptor GR3 y empezar a medir para determinar la posición de ese punto. Eso mismo se realizó en los restantes 7 puntos que se escogieron para que sirvieran como puntos de control o apoyo terrestre. En estos puntos se midió durante un lapso de 2 horas, obteniéndose errores medio cuadráticos tanto en el este como en el norte en el rango de 0,009 m y 0,07 m. Además, se debe mencionar que a pesar de que únicamente se está elaborando cartografía planimétrica, a nivel altimétrico se utilizó el modelo geiodal CARIB 97 para reducir las alturas elipsoídicas medidas por el receptor GPS al geoide y así, tener una mejor aproximación real del terreno ó de su elevación.

3.5 Orientación externa, aerotriangulación y ortorectificación.

Para este proceso se utilizó el módulo LPS Project Manager IKONOS Support, contenido en el software Leica Photogrammetry Suite 9.2 de Erdas Imagine 9.2. Los pasos principales que se realizaron con este módulo para el proceso fotogramétrico fueron los siguientes:

• La creación de un proyecto LPS Project Manager IKONOS Support • Se seleccionó el modelo del sensor (IKONOS), por lo que también se definieron las

propiedades del bloque. • Una vez definido el sensor y las propiedades del bloque, se agregaron las imágenes

po_272749_0020000 y po_272749_0030000 en la banda pancromática al bloque. Se uso la banda pancromática por ser la banda con mayor resolución espacial.

• Se verificó el archivo de RPC. Este archivo es donde se encuentran todos los

parámetros de ubicación del satélite, los cuales son necesarios para la orientación de la imagen en el momento de la toma.

• Se hizo la orientación obsoluta con ayuda de los 7 puntos de apoyo terrestre. • En función de los mismos 7 puntos de control, se realizó la aerotriangulación

automática sobre las dos imágenes. • Con datos del sensor IKONOS, se refinó el modelo del sensor mediante polinomios

que se encuentran en el archivo de RPC. Usando esta opción, se aplica correcciones polinómicas al modelo original de la función racional. También, esta opción refina la solución matemática, tal y como lo indica el reporte de la aerotriangulación.

• Con el módulo LPS Automatic Terrain Extraction IKONOS Support, se genero el modelo digital del terreno a 1 metro automáticamente.

• Una vez teniendo el modelo digital del terreno, se genero la ortorecctificación de las

imágenes.

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3.6 Generación de elementos cartográficos

En esta fase se tenía por objetivo la obtención de las coordenadas que definen la geometría de cada uno de los elementos a representar. No se obtiene un listado de coordenadas, sino vectores que definen la planimetría y altimetría de los elementos representados. Para esta investigación se propuso la elaboración de cartografía de vías, hidrografía y construcciones.

La calidad de la cartografía en este caso, dependió gran parte de la imagen ortorectificada y del operador para la calidad métrica de los vectores extraídos.

También, hay que tener en cuenta la fotointerpretación, sobretodo en zonas donde la calidad de la imagen es defectuosa, o se hace difícil la visión por la reflectancia de los pixeles, ángulo de toma de las imágenes originales o pixeles distorsionados. El dibujo de los vectores se hizo con ayuda del software Arc Gis 9.2. de la casa comercial ESRI y basado en la metodología de elaboración de cartografía a partir de imágenes ortorrectificadas. Se crearon los siguientes “shapefile”: Red vial: Este es un tema de polilíneas, en donde se dibujaron todos los vectores concernientes a las carreteras o calles principales de la zona en estudio, dibujándose el contorno de las cuadras o ambos lados de las carreteras o calles. Hidrografía: Un “shapefile” de polilíneas, en donde se dibujo el sistema hídrico que aparecía en la zona en estudio, sea línea de centro o borde del río o quebrada. Construcciones: Corresponde a un tema de polígonos, en donde esta incluidas todas aquellas construcciones que se pudieron distinguir en la imagen. 3.7 Validación de la cartografía y aplicación de la prueba estadística NSSDA

Para validar la cartografía generada a partir de las imágenes satelitales, se uso la prueba estadística NSSDA para determinar un coeficiente de probabilidad en la exactitud posicional y a continuación se presenta las actividades que se realizaron:

3.7.1 Labores con la cartografía

3.7.1.1 Selección de la prueba estadística

Se implemento la aplicación del prueba NSSDA, dado que este es el que tiene considerado aplicar el IGN de Costa Rica como norma para sus futuros productos según lo mencionaron personeros de la Unidad Ejecutora del Programa de Regularización del Catastro y Registro de Costa Rica y fue la prueba que utilizo esta misma Unidad para validar sus productos y así se midieron los resultados con un mismo parámetro.

3.7.1.2 Selección de los puntos identificables en el terreno

Esta labor fue de suma importancia, ya que se debe tener claro que los puntos que se seleccionaron en la cartografía, debían estar en el campo, además, ser puntos de fácil acceso y con las condiciones adecuadas para efectuar mediciones con GPS.

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Para aplicar la prueba, se requerían al menos 20, según lo recomendado en la bibliografía consultada, por lo que se considero medir 23, dado que incrementa la confiabilidad de la prueba, al ser mayor el tamaño de la muestra. En este caso, se ubicaron elementos tales como construcciones, esquinas de cercas bien definidas y como experimento el borde de un río, ya que como es de conocimiento, los causes de los ríos cambian en el tiempo.

3.7.1.2 Determinación de las coordenadas de estos puntos en el producto cartográfico

Una vez seleccionados en la cartografía los puntos de muestra, se obtuvieron sus coordenadas a partir de “shapefile” generado. Para ello se utilizó el software Arc Gis 9.2.

3.7.2 Labores de campo

3.7.2.1 Selección del método de medición

Este proceso fue fundamental para alcanzar un nivel de exactitud de ± 0,40 m acorde con las exigencias de la aplicación de la prueba estadística. Se trabajó con el método estático, por lo que a continuación se efectúa un análisis de ambos casos.

Al igual que con los puntos de control, en dicho levantamiento se utilizaron receptores GPS de doble frecuencia marca GR3 de la empresa Topcon, cuya precisión en el método estático es de 3mm ± 0,5 ppm a nivel horizontal y vertical de 5mm ± 0,5ppm a nivel vertical. Con respecto al software de procesamiento GPS se utilizo también el Topcon Tool 7.2 como programa de cálculo y conversión de coordenadas.

También se utilizaron como puntos fijos para la vinculación de los 23 puntos para la validación al sistema CRTM05, las coordenadas del punto ETCG de la Escuela de Topografía, Catastro y Geodesia de la Universidad Nacional y el punto CDTO ubicado en la subsede Coto, perteneciente a la sede Brunca de la Universidad Nacional. La medición se efectuó sobre cada uno de los 23 puntos seleccionados, aplicando la metodología seleccionada para tal fin, con base a la planificación efectuada en el punto anterior. El tiempo de medición por punto fue de 15 a 20 minutos, obteniéndose desviaciones estándares entre 0,01m a 0,28m.

3.8 Comparación de los elementos cartográficos generados a partir de las fotos aéreas con los extraídos a partir de las imágenes satelitales

Con la cartografía generada y con resultados satisfactorio de la prueba estadística, se utilizó el Arc Gis 9.2 para la comparación de ambas cartografías. Se creó un proyecto con la cartografía generada a partir de la aérea, en donde podemos encontrar la restitución cartográfica y las ortofotos con la imagen satelital ortorrectificada y georreferenciada con la cartografía generada a partir de ella, en donde se puede citar: las vías principales, vías secundarias, hidrografía y construcciones de la zona en estudio (polígono cuadrado de 6 km * 7 km, abarcando el centro de población de la ciudad de Buenos Aires, provincia de Puntarenas, Costa Rica). Una vez creado el proyecto, por medio de interpretación del analista y geoprocesamiento como un buffer y overlay, se logro determinar las similitudes y diferencias entre ambas cartografías, llegando a resultados bastante importantes y satisfactorio, los cuales se mencionaran en el apartado de resultados.

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4. Descripción y resultados

De acuerdo a la secuencia de los procesos realizados, se presentan a continuación los resultados obtenidos: 4.1 Adquisición de la cartografía, modelo digital y ortofotos a escala 1:5.000 de la zona en estudio Para adquirir la restitución, ortofotos y modelo digital del terreno a escala 1:5.000 de la zona en estudio, se realizó mediante una carta dirigida al señor Olman Rojas Rojas, coordinador general del Programa de Regularización del Catastro-Registro de Costa Rica, solicitándole las siguientes hojas, según la nomenclatura establecida por la Unidad Ejecutora:

Tabla 2: Hojas cartográficas a escala 1:5.000 generadas a partir de fotos aéreas

HOJA HOJA

3543-III-NE-1 3543-IV-SE-16

3543-III-NE-2 3543-IV-SE-17

3543-III-NE-3 3543-IV-SE-18

3543-III-NE-6 3543-IV-SE-21

3543-III-NE-7 3543-IV-SE-22

3543-III-NE-8 3543-IV-SE-23

Fuente: Programa de Regularización del Catastro-Registro de Costa Rica 4.2 Adquisición de las imágenes satelitales de la zona en estudio

Se obtuvieron dos imágenes satelitales del sensor IKONOS a una resolución de pixel de 1,00m y con un área de cobertura de 60 km * 60 km, sin embargo, como ya se ha mencionado, la zona de estudio es un área de 6 km * 7 km, por lo que no se utilizo la totalidad de la Imagen. 4.3 Vínculos a los puntos ETCG y CDTO Fijos

Después del procedimiento que se implemento para la comprobación de las coordenadas ajustadas de los ETCG y CDTO generadas por software Topcon Tools 7.2 y verificadas por el

software CSRC( Canadian Spatial Reference System), se obtuvieron las siguientes coordenadas, por lo que se asumieron como fijas:

Tabla 3: Coordenadas ajustadas de los puntos fijos ETCG y CDTO en CRTM05.

PUNTO NORTE(m) sN [m] ESTE(m) sE [m] ELEVACIÓN(m) sH [mm]

ETCG 1105688,844 0,000 488390,638 0,000 1180,189 0,000

CDTO 948137,298 0,000 624096,020 0,000 100,356 0,000

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4.4 Coordenadas de los puntos de control

Después de las mediciones de los puntos de control previamente establecidos, medidos con el receptor GR-3 y procesados en el software Topcon Tools 7.2, se obtuvieron las siguientes coordenadas ajustadas:

Tabla 4: Coordenadas ajustadas de los puntos de control o apoyo.

PUNTO NORTE(m) sN [m] ESTE(m) sE [m] ELEVACIÓN(m) sH [mm]

Nance 1015337,068 0,012 575240,647 0,015 438,121 0,039

Planche 1010471,891 0,009 574136,212 0,012 406,377 0,030

Puente 1011241,287 0,010 572189,291 0,014 345,617 0,029

Tanque 1015417,555 0,012 573779,841 0,023 399,028 0,035

entrada de casa 1010587,986 0,009 575824,567 0,015 382,200 0,029

894-005 1014677,669 0,015 572165,020 0,071 321,203 0,022

Aeropuerto 1012809,539 0,009 573522,366 0,016 377,009 0,029 4.5 Proceso fotogramétrico Se utilizó el módulo LPS Project Manager IKONOS Support, que es parte del software Leica Photogrammetry Suite 9.2 de ERDAS IMAGINE 9.2, para la generación de la imagen ortorecctificada y según el reporte de la aerotriangulación automática realizado, generó 33 puntos distribuidos en toda la imagen, cuyas coordenadas son las siguientes:

Tabla 5: Coordenadas de los puntos generados a partir de la aerotriangulación

Punto Este(m) Norte(m) Altura(m)

1 572189,65 1011240,76 345,61

2 574136,39 1010472,27 405,67

3 575824,17 1010587,94 382,75

4 573522,59 1012809,67 377,67

5 572163,71 1014677,94 320,38

6 573781,31 1015417,61 400,75

7 575240,13 1015336,79 436,75

8 567685,67 1016228,66 431,73

9 567993,82 1016172,10 420,41

10 570204,99 1016116,27 387,01

11 570915,38 1015730,25 309,39

12 573103,03 1015196,72 379,73

13 574022,05 1014249,41 386,94

14 576238,47 1014326,76 433,01

15 567694,12 1012398,99 317,13

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16 570698,05 1012337,09 310,32

17 571264,38 1011736,91 378,10

18 573636,31 1011561,10 387,75

19 576176,89 1011903,59 334,38

20 570980,51 1008761,73 442,98

21 568437,64 1007829,04 213,64

22 573331,81 1008066,38 428,11

23 573833,06 1006778,98 469,06

24 568322,06 1005180,26 216,02

25 573126,49 1004724,60 164,61

26 576114,46 1004898,55 287,68

27 570734,88 1003557,80 310,43

28 574319,92 1003398,05 387,11

29 568469,99 1001150,54 585,08

30 570809,01 1000132,76 726,09

31 576373,89 999802,33 514,13

32 573274,55 999577,87 568,08

33 573773,03 999511,85 545,73 Además, los residuos (Vx, Vy), la media (meanx, meany) y los errores medios cuadráticos (rmsex, rmsey) de las imágenes son los siguientes:

Tabla 6: Residuos y errores medios cuadráticos de la imagen po_272749_0020000

Imagen : po_272749_0020000

Punto Vx (m) Vy (m)

1 -0,607 -0,578

2 -0,405 0,729

3 0,29 -0,363

4 -0,007 -0,197

5 1,22 0,733

6 -1,45 -0,928

7 0,579 0,521

meanx=-0,054m, meany=-0,012m

rmsex=0,806m, rmsey=0,622m

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Tabla 7: Residuos y errores medios cuadráticos de la imagen po_272749_0030000

Imagen : po_272749_0030000

Punto Vx (m) Vy (m)

1 -0,100 -0,474

2 0,076 0,416

3 0,477 -0,010

4 -0,473 0,092

5 1,421 0,294

6 -1,543 0,066

7 0,520 -0,301

meanx=-0,054m, meany=-0,012m

rmsex=0,807m, rmsey=0,290m

Según los datos anteriores, se puede notar que los errores medios cuadráticos de ambas imágenes, tanto en el componente X, como en el componente Y, no supera el metro, o sea, son menores al tamaño de pixel de las imágenes. 4.6 Creación del Modelo Digital del Terreno (MDT) Se creó automáticamente el Modelo Digital del Terreno a 1 metro en la parte altimétrica, con el módulo LPS Automatic Terrain Extraction IKONOS Support, del mismo ERDAS IMAGINE 9.2.

4.7 Creación de la imagen ortorrectificada También con el módulo LPS Project Manager IKONOS Support, del mismo software y utilizando el modelo digital generado de forma automática, se generó la imagen ortorecctificada, sin embargo, para el siguiente estudio se recortó la escena de la zona en estudio.

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Figura 5: El polígono cuadrado indica el área de estudio

4.8 Generación de elementos cartográficos Tal y como se menciono en la metodología, se generaron elementos cartográficos y a continuación se presentan ejemplos de ellos: Vías principales: A partir de la imagen ortorrectificada, se generó el “shapefile” de vías principales generando el contorno de las cuadras o ambos lados de las carreteras y calles. Este “shapefile” es de polilíneas de color verde y a continuación se presenta una imagen de los elementos dibujados:

Figura 6: Cartografía generada de las vías principales, con la imagen ortorrectificada de fondo

Zona de estudio

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Hidrografía: Este “shapefile” es de polilíneas de color azul, dibujándose línea de centro de los ríos o quebradas y el contorno a nivel de bordes donde se distinguía fácilmente. A continuación se muestra una imagen como ejemplo:

Figura 7: Parte de la hidrografía generada, con la imagen ortorrectificada de fondo Construcciones: Este “shapefile” es de polígonos de color amarillo, tal y como se muestra en la siguiente imagen:

Figura 8: Cartografía generada de las construcciones, con la imagen ortorrectificada de fondo

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4.9 Validación de la cartografía

4.9.1 Puntos GPS para la validación de la cartografía

Para poder aplicar el estándar estadístico, se efectuó una medición GPS de 23 puntos seleccionados, tal y como se indica en la metodología seleccionada para tal fin y se obtuvieron como resultados las coordenadas ajustadas y referidas al sistema oficial del país CRTM05 que se muestran en el tabla 8 con sus respectivas deviaciones estándar de cada punto:

Tabla 8: Coordenadas ajustadas de los puntos seleccionados para la validación cartográfica

PUNTO NORTE(m) sN [m] ESTE(m) sE [m] ELEVACIÓN(m) sH [mm]

1 1014248,778 0,041 572317,82 0,129 315,441 0,079

2 1014509,178 0,041 572322,523 0,129 318,732 0,085

3 1014967,383 0,044 572322,964 0,131 327,48 0,071

5 1015077,475 0,034 573887,54 0,092 403,926 0,053

6 1014693,385 0,011 574098,74 0,022 400,551 0,039

7 1014443,52 0,011 574407,963 0,022 399,76 0,039

8 1014094,857 0,014 574433,973 0,026 389,92 0,052

10 1014019,432 0,010 573679,589 0,015 386,366 0,032

11 1013753,336 0,010 573679,518 0,015 380,803 0,032

12 1013343,045 0,010 573662,465 0,015 378,673 0,032

13 1013216,703 0,010 573269,429 0,015 375,748 0,032

14 1014224,965 0,035 573098,993 0,121 363,712 0,074

15 1014361,495 0,035 573137,542 0,121 366,371 0,074

16 1011393,223 0,033 573384,148 0,071 386,085 0,055

17 1011489,882 0,033 573239,163 0,071 383,985 0,055

18 1012062,557 0,016 574366,546 0,031 377,122 0,060

19 1010534,374 0,043 575391,867 0,120 389,639 0,079

20 1010385,872 0,043 574268,76 0,110 405,091 0,068

22 1012073,699 0,034 573219,154 0,098 378,716 0,049

23 1013594,983 0,021 572383,468 0,032 347,738 0,058

24 1013445,695 0,067 572417,506 0,232 347,509 0,137

25 1015248,877 0,043 573200,978 0,127 385,615 0,081

26 1014366,831 0,100 571353,489 0,242 305,448 0,204

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4.9.2 Aplicación de la prueba seleccionada

Con base a las coordenadas obtenidas tras la corrección diferencial (GPS) y las obtenidas de la cartografía, se aplicó la prueba NSSDA. Se indica la siguiente nomenclatura, la cual es válida para el tabla 9.

DE = Diferencia de coordenadas este obtenidas de los resultados de la corrección diferencial y de la lectura de coordenadas de la ortofoto.

DN= Diferencia de coordenadas norte obtenidas de los resultados de la corrección diferencial y de la lectura de coordenadas de la ortofoto.

DE*DE = cuadrado de la diferencia de coordenadas este obtenidas de los resultados de la corrección diferencial y de la lectura de coordenadas de la ortofoto.

DN*DN = cuadrado de la diferencia de coordenadas norte obtenidas de los resultados de la corrección diferencial y de la lectura de coordenadas de la ortofoto.

Y para el tabla 10, la siguiente nomenclatura:

RMSEX = error medio cuadrático de la coordenada X. RMSEY = error medio cuadrático de la coordenada Y. RMSEr = error medio cuadrático de la posición horizontal.

En la tabla 9 se dan los cálculos previos para la aplicación de la prueba NSSDA y en el tabla 10 se dan los resultados finales de la aplicación de la prueba.

Tabla 9: Aplicación de la prueba NSSDA

DE DN DE*DE DN*DN

# [m] [m] [m2] [m2]

1 0,583 -0,242 0,340 0,059

2 -0,982 0,527 0,964 0,278

3 0,241 -0,836 0,058 0,699

5 0,114 0,869 0,013 0,755

6 0,924 0,248 0,854 0,062

7 0,767 -0,226 0,588 0,051

8 0,010 0,728 0,000 0,530

10 0,440 0,224 0,194 0,050

11 0,763 0,178 0,582 0,032

12 0,472 0,191 0,223 0,036

13 0,707 -0,036 0,500 0,001

14 0,127 -0,269 0,016 0,072

15 -0,151 -0,394 0,023 0,155

16 0,229 -0,121 0,052 0,015

17 -0,384 -0,548 0,147 0,300

19

18 -0,231 0,947 0,053 0,897

19 -0,310 0,789 0,096 0,623

20 -0,400 -0,119 0,160 0,014

22 0,100 -0,701 0,010 0,491

23 -0,325 0,074 0,106 0,005

24 -0,675 0,082 0,456 0,007

25 0,670 -0,176 0,449 0,031

26 0,245 -0,169 0,060 0,029

Tabla 10: Resultados de la aplicación del prueba NSSDA

Según el documento FGDS-STD-007.3-1998 del Comité de Datos Geográficos Federal (FGDC), titulado “Part 3: National Standar for Spatial Data Accuracy”, el coeficiente de exactitud mostrado en el cuadro 11 debe ser un metadato del producto cartográfico y considerando que el coeficiente de exactitud es de 1,20 m, se debe escribir de la siguiente forma: “Comprobado para 1,20 m de exactitud horizontal al 95% de nivel de confianza” Y según el documento citado anteriormente, se interpreta de la siguiente forma: “.. la exactitud reportada al 95% de nivel de confianza significa que el 95% de las posiciones del conjunto de datos tendrá un error con respecto a la posición verdadera en el terreno que es igual o menor que el valor de exactitud reportado” 4.10 Comparación de los elementos cartográficos generados a partir de fotos aéreas con los extraídos a partir de las imágenes satelitales

Esta comparación se uso el software Arc Gis 9.2 y a continuación se mencionan ejemplos de las diferentes comparaciones realizadas a nivel de red vial, hidrografía y construcciones:

Suma DE*DE [m2]

RMSEy [m] 0,475 5,944

RMSEr [m] 0,696 Suma

DN*DN [m2]

5,192 Coeficiente de

Exactitud

RMSEx [m] 0,508 1,204

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4.10.1 Caso 1: Comparación de la red vial

En la figura 9 se nota de color verde la cartografía de vías principales delineadas a partir de las imágenes satelitales y de color rojo, las vías principales suministradas por la Unidad Ejecutora. Se calculó un buffer de 2 veces el tamaño de pixel (1m) de la cartografía elaborada a partir de la imagen satelital y tal y como se nota en la misma imagen, el “shapefile” del buffer (color anaranjado), abarca la totalidad o parte de cartografía hecha por las fotos aéreas y ese comportamiento se da en el 95% de la zona en estudio.

Figura 9. Comparación de ambas cartografía con un buffer de 2metros

También, en la figura 10 y 11, se sobrepuso la cartografía de la red vial tanto de la generada con las imágenes satelitales como con la aérea y en la zona señalada con una elipse de color rojo, se nota que en el tema de red vial generada con la fotografía aéreas no se digitalizo o restituyo las calles que claramente se visualizan en la imagen satelital como en la fotografía aérea.

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Figura 10. Comparación de ambas cartografía con un error de digitalización en la red vial. El

color verde corresponde a la red vial delineadas a partir de la imagen satelital y las líneas rojas de la cartografía a partir de la fotos aéreas

Figura 11. Comparación de ambas cartografía con un error de digitalización en la red vial. El

color verde corresponde a la red vial delineadas a partir de la imagen satelital y las líneas rojas de la cartografía a partir de la fotos aéreas

Por otro lado, en la figura 12 se hace una comparación con ambas cartografías, apreciándose una gran diferencia de desplazamiento entre una y otra en el sector del puente. Lo anterior se da a que en la imagen satelital a pesar de que se da una leve distorsión en los pixeles que determinan

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el puente, no es de gran peso para poder digitalizar con bastante exactitud la infraestructura (carretera), cosa contraria a la carretera representada en color rojo, ya que en la figura 13, que corresponde a la fotografía aérea debidamente ortorrectificada, presenta gran distorsión, el cual pudo ser provocado por la reflectancia de pixeles, pudiendo así, provocar error en el momento de digitalizar o restituir la cartografía.

Figura 12. Comparación de ambas cartografía con un error de digitalización en la red vial y la

imagen satelital de fondo. El color verde corresponde a la red vial delineadas a partir de la imagen satelital y las líneas rojas de la cartografía a partir de la fotos aéreas

Figura 13. Fotografía aérea ortorrectificada

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4.10.2 Caso 2: Comparación de la Hidrografía

En la figura 14 se nota con color azul la cartografía concerniente a una parte de la red hidrológica generada a partir de las imágenes satelitales y de color celeste, parte de la hidrografía a partir de las fotos aéreas. Se realizó una sobreposición de capas, tal y como se ve en la figura y en algunas se creó un buffers de 2 veces el ancho aproximado del río, dando como resultado que en algunas zonas el “shapefile” del buffer abarca la totalidad o parte de cartografía hecha por las fotos aéreas, no obstante en aquellos casos que corresponda a quebradas o similares, se dificulta la detección de estos elementos.

Figura 14. Comparación de la cartografía concerniente a la hidrografía a partir de la imagen satelital ortorrectificada con la cartografía de la hidrografía generada a partir de fotos aéreas

4.10.3 Caso 3: Comparación de las construcciones

En la figura 15 se distingue con color amarilla sin relleno, la cartografía concerniente a las construcciones generadas a partir de las imágenes satelitales y de color rojo con relleno blanco las construcciones a partir de las fotos aéreas. Se realizó una sopreposición de capas y a pesar de que si bien es cierto, las construcciones generadas con la tecnología satelital coinciden con las construcciones elaboradas con las fotografías aéreas difieren tanto en tamaño como en forma.

Figura 15. Comparación de la cartografía concerniente a las construcciones. La líneas de color amarillo sin relleno corresponde a las construcciones delineadas a partir de la imagen satelital y

las líneas rojas con relleno a las construcciones a partir de la fotos aéreas

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Además, según la figura 16 se nota una gran distorsión en los pixeles que forman las construcciones en la imagen satelital. Ese comportamiento se da en casi la totalidad de la zona en estudio, por lo que es difícil discernir la o las construcciones visualizadas salvo en muy pocas construcciones en donde el nivel de detalle es bastante bueno, sin embargo, en la figura 17 la cual es la misma zona, se logra apreciar que los pixeles que conforman las construcciones también cuentan con una cierta distorsión, siendo esta última, una fotografía aérea ortorrectificada de una resolución de pixel de 0,50m, o sea, la mitad de la resolución que la satelital que es de 1,00m.

Figura 16. Imagen satelital ortorrectificada señalando los pixeles que representan las

construcciones con la cartografía de vías incluidas

Figura 17. Fotografía aérea ortorrectificada señalando los pixeles que representan las

construcciones con la cartografía de vías incluidas

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5. Conclusiones Las coordenadas de los puntos ETCG y CDTO se lograron verificar antes de establecerlos como fijos, dando resultado bastante satisfactorios, por lo que nos da una mayor confiabilidad a la hora de vincular los puntos de apoyo y los puntos para la validación cartográfica y así, obtener una mejor ortorrecctificación de las imágenes. Las exactitudes de los puntos de apoyo estuvieron en el rango de los 0,009 m a 0,07 m, por lo que están por debajo a los 0,10m que se utilizan según literatura consultada para la generación de cartografía a escala 1:5.000, como por ejemplo el documento “Estándares de Exactitud Posicional (versión 3.0)”. 2003. Dirección General de Cartografía, Coordinación de Geodesia. Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI). México. Las precisiones del proceso de ortorrectificación de las imágenes, dieron como resultado un RMSE inferior a la resolución de un pixel (1m). El avance tecnológico ha sido muy grande, por lo que ahora contamos con software mucho más eficientes y rápidos a la hora de generar algún tipo de proceso y obtener resultados mucho más rápido y exactos. Este es el caso de Lps Project Manger IKONOS Support, herramienta incorporada al software fotogramétrico ERDAS IMAGINE 9.2 y con el cual se realizó la ortorrecctificación de las imágenes satelitales. En las exactitudes de los puntos para la validación cartográfica estuvieron en el rango de los 0,01m a 0,24m, por lo que están por debajo a los 0,40m que se utilizan para la aplicación de la prueba estadística NSSDA. La aplicación de la prueba estadística NSSSDA para la validación de la cartografía, dio como resultado 1,20m de exactitud horizontal al 95% de nivel de confianza, por lo que la cartografía generada esta dentro de los mismos parámetros que utilizó en el Programa de Regularización del Catastro y Registro para la validación de la cartografía a partir de las fotos aéreas. En la comparación entre ambas cartografías elaboradas con diferente tecnología y realizada mediante un software de Sistema de Información Geográfica, se puede concluir que en la comparación entre la red vial y la hidrografía principal (ríos), existe coincidencia espacial en un 95% del total de elementos en la zona de estudio después de realizado el buffer. En lo que se refiere a las construcciones, la fotografía aérea sigue siendo mejor y esto se da por varias razones:

a. La resolución de pixel que se está utilizando de la imagen satelital es de 1m y en cambio la resolución de pixel de la foto aérea es de 0,50m.

b. El ángulo de toma del satélite por no encontrarse la zona de estudio debajo del nadir del mismo y las alturas de las construcciones, por lo que hace que se distorsionen las edificaciones.

c. La altura del satélite (681km) con respecto al vuelo fotogramétrico (2,5km), la cual influye en el efecto del desplazamiento del relieve en la estereoscopía.

d. La reflectancia de los techos sin pintar puede distorsionar los pixeles de la imagen referente a ese objeto a la hora de la captura por el satélite.

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6. Bibliografía Adkinson, A, Ariza, F, García-Balboa, J. 2007. Estimadores Robustos: una solución en la utilización de valores atípicos para el control de la calidad posicional. Revista Internacional de Ciencia y Tecnología de la Información Geográfica. Ariza, F. 2002. Calidad en la producción Cartográfica. RA-MA Editorial, Madrid, España. Decreto Ejecutivo 33797-MJ-MOPT. 2007. Oficialización del sistema de Referencia CR05 y su proyección asociada CRTM05. Decreto Ejecutivo 34331-J. 2007. Reglamento a la ley de Catastro Nacional # 6547. Estándares de Exactitud Posicional (versión 3.0). 2003. Dirección General de Cartografía, Coordinación de Geodesia. Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática (INEGI). México. NT04-Norma Técnica Validación de Productos Cartográficos. 2007. Instituto Geográfico Nacional, Documento Borrador. Benavides F. Manuel, Fotogrametría I. Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica, 1989. Benavides F. Manuel. 1989. Fotogrametría II. Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica. Cuartero Saénz, Aurora, 2001. Introducción a la Fotogrametría Digital. Universidad de Extremadura, España. Delgado García, Jorge, 2002. Fotogrametría Digital: Instrumentos, Métodos, Productos y Aplicaciones. Universidad de Jaén, España. Esri.,1996:”Using Arc-View”, Enviromental System Research Institite, Draft Documentation, Readlands. ESRI®. ArcGISTM 8.3 Brings Topology to the Geodatabase. Arc News, Summer 2002. Lerma García, José Luis, 2002. Fotogrametría Moderna: Analítica y Digital. Editorial Universidad Politécnica de Valencia. Valencia, España. Moya, J. 2009. “Resultado en la actualización del sistema geodésico de Costa Rica CR05 al Datum Mundial ITRF2005”. Charla dictada en la conferencia ofrecida en el marco de la celebración del XXXV Aniversario de la Escuela de Topografía, Catastro y Geodesia. Heredia. Costa Rica. http://www.etcg-gps.una.ac.cr/, consultada el 28 de agosto 2009. http://www.cartesia.org/foro/viewtopic.php?p=39745, consultada el 02 setiembre de 2008. http://www.fgdc.gov/, consultada el 12 setiembre del 2008. consultada el 03 de octubre de 2008. http://www.fgdc.gov/standards/projects/FGDC-standards-rojects/accuracy/part3/chapter3, consultada el 03 octubre del 2008.