Home I+D Nacional Lira: Radar para Ingeniería

Altitudes obtenidas en la imagen radar  La medida de distancias, elevaciones y superficies es una necesidad básica para la sociedad moderna presente en multitud de aplicaciones del mundo real como la arquitectura, la ingeniería civil y medioambiental, la explotación de recursos naturales, la definición de límites administrativos, de propiedad, etc.

En la última década se ha avanzado mucho en la mejora de precisión de las medidas geométricas, gracias a tecnologías espaciales que han permitido incrementar la calidad de las aplicaciones y aumentar el número de usuarios. Sin embargo, todavía queda un importante margen de mejora ya que los incrementos de precisión en la mayor parte de las ocasiones están circunscritos a aplicaciones que se mueven en áreas restringidas, dentro de ámbitos geográficos limitados. Así por ejemplo, a pesar de las mejoras tecnológicas aún hoy día no es posible establecer en nuestro país referencias tan necesarias como un nivel medio del mar en las costas, de modo que se pueda calcular homogéneamente cómo afectará una subida generalizada del nivel del mar. La consecuencia de estas limitaciones se traduce, por ejemplo, en el hecho de que las redes de alcantarillado en muchas ciudades y urbanizaciones costeras no evacuen correctamente en situaciones de borrascas mantenidas y que incluso se inviertan los flujos durante fuertes tormentas.

Entre las fuentes de error de las medidas geométricas de altitud está en la propia irregularidad del geoide o distancia real al centro de la Tierra, cuyas variaciones son superiores a 180 m en el mundo y sólo en España tiene diferencias de altura de más de 60 m entre distintas regiones. Los sistemas de medida GPS se basan en una forma teórica del geoide mundial ajustada a un elipsoide (denominado WGS84) sobre el que proyectan la posición x,y para obtener la altura[1]. Sin embargo la altimetría de los mapas nacionales está referida a una red de vértices geodésicos que toman como altura base el nivel de medio del mar en Alicante. Los ajustes son absolutamente necesarios entre instrumentos y planos, y cuando se requiere continuidad en la precisión sobre áreas extensas es necesario recurrir a sistemas de referencia independientes con ajustes intermedios propios de cada caso.

Una importante fuente de error de las medidas geométricas horizontales a gran escala está en el datum utilizado para proyectar los puntos sobre la superficie plana del mapa. Los mapas oficiales españoles realizados sobre la proyección UTM se han realizado tradicionalmente sobre el Elipsoide Hayford datum ED50 establecido en 1909. Sin embargo, recientemente, con el fin de armonizar los distintos sistemas de cartografía Europeos se ha adoptado la referencia ERDF que produce variaciones sobre el anterior de más de 200 m en gran parte del territorio. A esta variación entre antiguos y nuevos elipsoides hay que añadir que el territorio nacional abarca varios husos de la proyección UTM (28-31). Cuando un área de trabajo es común a dos husos las diferencias según el huso en que se trabaje puede superar los 150 m.

Además de los problemas de escala nacional, en ámbitos regionales más limitados la precisión de una medida está sujeta a errores inherentes a las propias tecnologías de medida, que afectan no sólo al marco absoluto de referencia sino al propio relativo de un área de trabajo más restringida. Este nivel de precisión que está afectado de modo diverso según cada tecnología es el propio del interés del presente proyecto, y en el que se pretende conseguir nuevas mejoras. Las principales fuentes de error para las principales tecnologías de trabajo de este proyecto son:

  • Imágenes radar: errores de medida debidos a la humedad atmosférica y del propio terreno. Que afectan a la transmisión de la señal[2]. Para acotar estos errores se utilizan diversas estrategias como tener mayor número de imágenes y puntos de referencia estáticos o sin variación de posición a lo largo del tiempo.

  • Lidar: afectaciones debidas a la imprecisión del disparo (posición del sensor e integración con el sistema inercial), conocimiento preciso del lugar de rebote, condiciones atmosféricas, inclinación de la superficie del terreno, tipo de reflexión del rayo, altura de vuelo y divergencia del rayo láser[3]. La dificultad para conocer bien todos estos elementos obligan a que los ajustes se realicen mediante encajes empíricos laterales del producto final (nubes de puntos) o por identificación y ajuste de morfologías rectilíneas en el terreno y en la nube de puntos.

  • Imagen óptica: errores de medida según el

    • tamaño del píxel respecto a la precisión de medida que se quiere alcanzar en x,y,z

    • precisión del modelo cámara

    • precisión de la medida de orientación

    • precisión del modelo orbital

    • precisión de los puntos de apoyo del proceso de aerotriangulación

  • GPS: errores de medida debidos a afectaciones de transmisión de la señal, que se minimizan mediante recepción simultánea en lugares fijos y realizando correcciones diferenciales. Estas alteraciones de la señal[4] son debidas a

    • grado de ionización y humedad atmosférica

    • la velocidad del móvil en sistemas en movimiento, como coches o aviones

    • modificaciones voluntarias de la señal en origen por razones de seguridad.

Los niveles de error en las medidas de ámbitos geográficos locales mejoran drásticamente cuando se producen saltos tecnológicos en algunos de los pasos de la cadena de producción. Este es el caso del último año, en el que, con la puesta en órbita de 4 nuevos satélites radar, se ha mejorado drásticamente la resolución de las imágenes comerciales de este tipo, bajando de 25-30 m a 1-3 m. Esto supone en la práctica una revolución tecnológica que abre por si misma o por la posibilidad de integración con otras tecnologías de medida nuevas aplicaciones reales. Así por ejemplo, hasta ahora la precisión x,y de los DEM obtenidos mediante radar era de 50 m aproximadamente. Esto impedía explotar en aplicaciones de escala detallada (1:1.000 a 1:25.000) todo el potencial de la precisión de pocos milímetros que se consigue en la vertical, mediante el procesamiento diferencial multitemporal (interferometría). Es probable que con la nueva mejora ya puedan controlarse subsidencias de un edificio concreto y diferenciarlo de otro en la misma manzana.

Algo parecido le ocurre a la tecnología Lidar cuyo nivel de precisión en la vertical hoy es de 15 cm. Para mejorarla es necesario buscar nuevas estrategias de procesamiento de las nubes de puntos que produce el sensor, pues de otro modo este límite de precisión es insuficiente para explotar todas ventajas de su tecnología como son su facilidad de cubrir grandes áreas o la rapidez de operación en aplicaciones de gran impacto económico como la construcción de obras públicas lineales. En esta propuesta se plantea investigar estrategias novedosas de identificación de morfologías del terreno dentro de las nubes de puntos que puedan servir de control geométrico para que la precisión de la medida pueda mejorar en un orden de magnitud, lo mismo que en el pasado la identificación de puntos de apoyo en el terreno permitió desarrollar la técnica de la aero-triangulación fotogramétrica y con ello generar productos (ortofoto) de una precisión impensable para las imágenes y los datos inerciales aisladamente.

Por último este proyecto plantea investigar las mejoras de precisión que puede producir la mutua interacción directa entre nubes de puntos Lidar y las nuevas imágenes radar de alta resolución. Ambas parten de tecnologías con principios semejantes que finalmente desembocan en una “imagen distancia”. Probablemente es ahora, con el salto de resolución geométrica que se ha producido en el ámbito de las imágenes radar, que las aproxima a la resolución x,y del Lidar, el momento tecnológico en el que sea posible buscar enlaces entre ambas tecnologías que las potencien mutuamente[5]. En el pasado se han realizado diversos estudios comparativos sobre la capacidad de definición de la cubierta forestal con ambas tecnologías, alcanzando un buen grado de similitud. Ahora es el momento de estudiar aplicaciones sobre objetivos menos homogéneos y de mayor detalle en el espacio, como son las aplicaciones urbanas o de ingeniería civil. Ambos prototipos se proponen entre las actividades de este Proyecto. 


[1] Pavlis, N.K., S.A. Holmes. S. Kenyon, D. Schmit, R. Trimmer, "Gravitational potential expansion to degree 2160", IAG International Symposium, gravity, geoid and Space Mission GGSM2004, Porto, Portugal, 2004.

[2] Massonnet, D. and T. Rabaute, "Radar Interferometry: Limits and Potential," IEEE Trans. on Geosci. and Remote Sens., 31(2), 455-464, 1993.

[3] Michael E. Hodgson and Patrick Bresnahan. Accuracy of Airborne Lidar-Derived Elevation: Empirical Assessment and Error Budget. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing

Vol. 70, No. 3, March 2004, pp. 331–339.

[4] Misra, Pratap, Enge, Per 2001, Global Positioning System Signals, Measurements, and Performance, Ganga-Jamuna Press

[5] Slatton, K.C.; Crawford, M.M.; Evans, B.L. Combining interferometric radar and laser altimeter data to improve estimates of topography. Geoscience and Remote Sensing Symposium, 2000. Proceedings. IGARSS 2000. IEEE 2000 International Volume 3, Issue , 2000 Page(s):960 - 962 vol.3