Miércoles, 15 Marzo 2017 11:12

Lidar y Urbanismo

Desde hace unos años, los datos LiDAR se han convertido en la fuente de datos geográficos “de moda”. LiDAR un sistema de medida basado en determinar la distancia desde un emisor láser a un objeto, midiendo el tiempo transcurrido entre la emisión del pulso láser y la recepción de la señal reflejada por el objeto.

La información que capturan (coordenadas, altura, retorno, ángulo de barrido) y la precisión (puntos por metros cuadrados) han permitido una magnífica incorporación en trabajos vinculados con estudios de biomasa, inundaciones, mapas de ruido, explotación de minas, arqueología o simplemente en trabajos topográficos y cartográficos de detalle entre otros.

 

Lidar imaging comparing old-growth forest (right) to a new plantation of trees (left).

Lidar imaging comparing old-growth forest (right) to a new plantation of trees (left).Wikipedia

 

Tras la captura de datos, la clasificación, automática y manual, de la nube de puntos (ecos o retornos) es un proceso fundamental para poder sacarle el máximo rendimiento a esta fuente de información. En esta clasificación, los pulsos con un único retorno suelen ser interpretados como superficies sólidas o duras (edificios, suelo, etc.), en el agua el rayo láser es absorbido rápidamente y no vuelve al avión (no retorno) y la vegetación podemos tener varios retornos ya que el rayo recorre desde la copa hasta el suelo.

LiDAR y Urbanismo

En el ámbito de los estudios urbanos esta técnica se presenta muy prometedora, ya que en una primera aproximación, posibilitan un levantamiento rápido y preciso de una zona amplia, con un error del orden de centímetros, reduciendo también de manera drástica el tiempo necesario para la toma de datos.

Los datos están siendo usados en la actualización catastral ya que permiten por ejemplo la detección de nuevas edificaciones gracias el registro de cambios volumétricos o la construcción de piscinas. Los modelos 3D de áreas urbanas generados a partir de fuentes LiDAR pueden ser utilizados para estudios de densidad de edificios o determinación de número alturas de edificación.

En el curso titulado SIG y Ciudad que imparto con el arquitecto José Carlos Rico hemos querido incorporar esta fuente de datos a los flujos de trabajo de los profesionales vinculados con el urbanismo.

Trabajando con los datos del LiDAR PNOA, cuya densidad es de 0,5 puntos/m² y con una precisión altimétrica de 20 cm RMSE Z y tras la generación de Modelos Digitales del Terreno, estos modelos pueden usarse por ejemplo para :

  • Obtención de cotas máximas, mínimas y rangos de las distintas zonas de una figura de planeamiento.
  • Generación de curvas de nivel con equidistancias de 1 a 0,5 metros para planos topográficos o de replanteo.
  • Creación de perfiles de alturas de la red de infraestructuras viarias proyectadas.
  • Extracción de altura de construcciones existentes

Herramientas

Una vez obtenidos las cuadrículas LiDAR de la zona de trabajo se puede utilizar la herramienta Lastools para realizar unión de ficheros (lasmerge) o recortes (lasclip) mediante polígono. A partir de estos primeros trabajos pueden generarse distintos modelos digitales de elevación de gran resolución. Jugando con la clasificación de la nube de puntos podemos obtener modelos de terreno (MDT), forma tridimensional del terreno desnudo en el que se excluye cualquier elemento situado sobre él, o modelos digitales de superficies (MDS) que incluyen el terreno y los elementos estáticos situados sobre ella (árboles, edificios, etc).

Modelos Digitales de Elevación a partir de los datos LiDAR PNOA

PNOA y Modelos Digitales de Elevación (MDS y MDT) partir de los datos LiDAR PNOA

Con nuestro modelo digital del terreno, podemos trabajar con las distintas herramientas y geoprocesos para datos ráster que nos ofrece el potente SIG de escritorio QGIS.

Modelos digitales del terreno

Desde el modelo de elevaciones pueden crearse mapas de pendientes, orientaciones, escabrosidad. La calculadora ráster es la herramienta que nos permitirá filtrar las capas capas para que cumplan determinados criterios. Así podemos seleccionar zonas que cumplan una serie de criterios topográficos (ej. orientación al sur y pendiente menor de cinco grados) favorables para su edificación.

Mapa de pendientes (%)

Mapa de pendientes (%)

Curvas de nivel

La resolución de los datos de partida nos permite generar curvas de nivel cada metro o medio metro. Esto nos permitiría contar con un plano topográfico de detalle sobre el que trabajar. Aplicando determinadas reglas en la simbología y etiquetado de la capa de curvas se pueden obtener resultados profesionales.

Estadística zonal

Mediante esta herramienta de QGIS se podrán obtener un conjunto de estadísticas bastante amplias sobre los valores del modelo de elevaciones para las geometrías de una capa poligonal. Se puede usar la estadística zonal para obtener las cota máxima, mínima y la diferencia entre ambas de las determinadas manzanas o o parcelas proyectadas en una figura de planeamiento. Esta información será de utilidad por ejemplo para cálculos de volumetrías.

Plano temático por intervalo entre cota máxima y mínima de capa manzana de planeamiento

Plano temático por intervalo entre cota máxima y mínima de capa manzana de planeamiento

El LiDAR (de light detection and ranging) es una técnica de teledetección óptica que utiliza la luz de láser para obtener una muestra densa de la superficie de la tierra produciendo mediciones exactas de x, y y z. LiDAR, que se utiliza principalmente en aplicaciones de representación cartográfica láser aéreas, está surgiendo como una alternativa rentable para las técnicas de topografía tradicionales como una fotogrametría. Cada punto LiDAR que es postprocesado puede tener una clasificación que define el tipo de objeto que reflejó el pulso láser. Los puntos LiDAR se pueden clasificar en varias categorías que incluyen suelo o terreno desnudo, parte superior de cubierta forestal y agua. (Fuente: http://desktop.arcgis.com/)

Esta fuente de datos tienen múltiples aplicaciones: modelos digitales del terreno y de superficies (con edificios y vegetación), estudios de zonas inundables, detección automática de edificaciones nuevas, estudios de visibilidad y cobertura de antenas, inventarios forestales (cobertura arbórea y de matorral, las alturas máximas de la vegetación, la presencia de matorral o regeneración avanzada), etc.

Gracias al Plan Nacional de Ortografía Aérea contamos con cobertura de datos LiDAR para España (distintas fechas según Comunidades Autónomas). Los datos LiDAR del PNOA tienen una una densidad de 0,5 puntos/m y una precisión altimétrica obtenida es mejor de 20 cm RMSE Z. Los datos se distribuyen a través del Centro de Descarga del CNIG en ficheros digitales de 2x2 km de extensión. El formato de descarga es LAZ (formato de compresión de ficheros LAS).

LiDAR en Arqueología

Los datos LiDAR están siendo usados de profusamente utilizados en el campo de la Arqueología. La densidad de la cobertura y la posibilidad de poder obtener modelos digitales del terreno de detalle están dando magníficos resultados sobre todo en la detección de estructuras de gran tamaño (murallas, zanjas, construcciones) en zonas de densa vegetación. Los ejemplos son numerosos, pero pueden ilustrar bien este texto los trabajos del grupo de investigación Roman Army  sobre arqueología militar romana en el norte de España o el proyecto Cambodian Archaeological Lidar Initiative (CALI) que investiga la red de ciudades medievales del imperio Jemer sepultadas bajo la jungla en Camboya.

Imagen: João Fonte e Luis Gonçalves 2016. O uso combinado de LiDAR, QGIS e LAStools aplicado ao estudo de paisagens arqueológicas.

Algunos ejemplos para el Conjunto Arqueológico de Madinat al-Zahra

Mi interés por los datos LiDAR se centran, a día de hoy, más en las posibilidades que ofrece en ámbitos urbanos y su estudio desde el punto de vista geográfico. Este interés no ha impedido que,tras la reciente apertura de los datos LiDAR para Andalucía, haya realizado algunas pruebas con distintos software (LAStools de Martin Isenburg y FrugoViewer) específicos y también con QGIS sobre algunos yacimientos emblemáticos de la provincia de Córdoba (Ategua, Torreparedones, Madinat al-Zahra, etc).

Localización del Conjunto Arqueológico de Madinat al-Zahra (Córdoba) sobre WMS ortofotografíal del PNOA © Instituto Geográfico Nacional de España)

La imagen de más impacto es la obtenida para el ámbito de la ciudad palatina de Madinat al-Zahra. Los resultados no son nada novedosos ya que en la documentación planimétrica del Plan Especial de Protección del Conjunto ya existía un plano estructuras no excavadas  seguramente obtenidos a partir de algún tipo de prospección geofísica.

 

B2 - Estructura urbana de Madinat al-Zahra. Interpretación de los restos no excavados. PEPMA (Fuente: GMU Córdoba)

Junto a los restos visibles en la actualidad el mapa de sombras generado a partir de la nube de puntos filtrados (sólo terreno) es bastante espectacular, pudiéndose nuevas estructuras no documentas en el plano del PEPMA.

 

Generación del mapa de sombras con los datos filtrados no es definitiva. Podemos ir modificando los pámetros de altitud/azimut de la luz y factor del valor Z (exageración vertical)  para obtener nuevos conjuntos de datos.

 

Sobre mí

SIGdeletras es Patricio Soriano y Patricio Soriano es SIGdeletras. Trabajo el campo las Tecnologías de la Información Geográfica y especialmente su aplicación en el ámbito del Administración Pública y el Patrimonio Cultural...  ¿Quieres saber más sobre mí?

 

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