INTEGRACIÓN Y ANÁLISIS EXPLORATORIO DE DATOS GEOESPACIALES MULTIFUENTE PARA EL SEGUIMIENTO Y MODELADO DE LA EVOLUCIÓN Y VULNERABILIDAD DE ÁREAS COSTERAS Aplicación a una zona del Levante de Almería

Input:

Para la consecución de los objetivos perseguidos en este punto vamos a utilizar una serie de materiales que desglosamos a continuación:

1. Vuelos fotogramétricos históricos de la zona piloto. Se trata de cinco vuelos realizados durante los años 1956, 1977, 1984, 1989 y 2001.

   El primero de ellos es el conocido como “Vuelo Americano” que fue realizado por el Gobierno de los Estados Unidos en blanco y negro y a escala 1:33000. Se distribuye a través del Servicio Cartográfico del Ejército, generalmente mediante copias de contacto en papel. Por ello se necesitará digitalizarlo previamente para poder ser tratado con Estaciones Fotogramétricas Digitales. Se carece de información sobre la calibración de la cámara de este vuelo.

   El vuelo de 1977 es conocido como Vuelo Interministerial o de Agricultura. Fue realizado en blanco y negro y a escala 1:18000. Al igual que el vuelo anterior, tampoco contamos con la calibración de la cámara.

   El vuelo de 1984 está constituido por fotografías aéreas del la Dirección de Costas en B/N y escala 1:5000. Será digitalizado a un tamaño de pixel entre 16 y 21 micras. No se dispone de certificado de calibración de cámara.

   El vuelo de 1989 está constituido por fotografías aéreas del vuelo del litoral de Andalucía en color a escala original de 1:10000, producido para el control urbanístico de la costa de Andalucía.

   El vuelo del 2001 es un vuelo encargado por la Dirección Gral. De Costas a escala 1:5000 en color. Se dispone de certificado de calibración de cámara.

2. Apoyo de campo y control de calidad. La obtención de puntos de control para la orientación externa de cada estéreo-par y el de puntos de comprobación independientes para el control de calidad de los MDEs se abordará mediante técnicas GPS diferencial en modo RTK (Real Time Kinematic) de alta precisión.
3. Vuelos a realizar durante el proyecto. Campañas planificadas para los dos primeros años de proyecto (2 campañas), consistentes en la obtención de fotogramas digitales de muy alta resolución RGB+IR (cámara DMC Intergraph f= 120 mm), con tamaño de píxel terreno de 0.10 m. Al mismo tiempo que se obtienen las imágenes de alta resolución, se adquirirá una nube de puntos de alta precisión mediante un sistema ALS (LiDAR ALS50-II de Leica) dotado con sistemas INS-GPS para la adquisición directa de las coordenadas UTM ETRS89 y las alturas elipsoídicas y ortométricas de cada punto. La densidad de puntos obtenida se situará alrededor de los 1.52 puntos/m2 con una precisión planimétrica de 0.5 m y altimétrica de 0.15 m, permitiendo la generación de MDEs y MDSs de muy alta resolución.
4. Cartografía complementaria y otros productos. Cartografía analógica y digital de diversas fuentes para el seguimiento de la evolución 2D de la línea de costa como apoyo a los MDEs 3D generados en el proyecto, y como ayuda al reconocimiento y digitalización de elementos antrópicos construidos en la franja litoral de la zona piloto.

   Entre estos productos podemos destacar:

   • Ortoimagen Digital de Andalucía del año 2001-2002 en blanco y negro con un GSD de 0.5 m (Junta de Andalucía, 2004).
   • Modelo Digital del Terreno de Andalucía, extraído a partir de un vuelo a escala 1:20000 (Junta de Andalucía, 2005), en formato malla, con una resolución de 10 m y precisión altimétrica de 1.70 m.
   • Mapa Topográfico del Litoral y Aglomeraciones Urbanas. Producto ráster a escala 1:5000, elaborado a partir de fotogramas 1:18000 y 1:15000 durante 1990 (Junta de Andalucía, 1997).
   • Mapa Topográfico de Andalucía a escala 1:10000, generado por el Instituto de Cartografía de Andalucía.
   • Planos del Plan General de Urbanismo de la Provincia de Almería, obtenidos a partir de un vuelo a escala 1:25000 realizado en 1990.

Plan de Trabajo para la consecución del Objetivo 1:

En esta primera fase se comenzará la recopilación de los materiales descritos en el apartado anterior. Una vez adquiridos los vuelos fotogramétricos históricos (incluyendo la digitalización en el caso del vuelo americano), y efectuada la primera campaña de las proyectadas con cámara digital+ALS (durante el primer año del proyecto), se procederá a la adquisición de “puntos terreno” que serán utilizados como puntos de control o de comprobación en los distintos proyectos fotogramétricos y en el control de calidad de los MDEs obtenidos. Previamente se intentará localizar sobre los fotogramas de los distintos vuelos un número suficiente de puntos terreno que sean reconocibles y estables en el tiempo.

Dada la dificultad de la obtención de puntos de control bien distribuidos y en número suficiente para la orientación externa de fotogramas históricos, se desarrollarán y validarán nuevas técnicas de extracción de puntos de control a partir de DEMs o superficies topográficas digitales generadas mediante tecnología ALS. Estas técnicas emergentes han sido objeto de especial atención en los últimos años y resultan de un interés extremo en casos estudios de detección de cambios en el terreno a partir de fotografías históricas o en zonas inaccesibles (James et al., 2006).

La metodología que será desarrollada durante esta fase del proyecto para la localización de puntos de control y orientación de vuelos fotogramétricos históricos en zonas costeras, donde no suelen existir elementos de referencia, estará basada en la generación y comparación de modelos sombreados (shaded relief) a partir del MDEs obtenidos mediante tecnología ALS (MDE actual) y estereofotogrametría (MDE histórico). La aplicación de algoritmos de “Image Matching” entre los modelos sombreados 2D pertenecientes a fotogramas multitemporales y la detección automática de puntos homólogos permitirá la obtención de puntos de control basados en formas geomorfológicas y relieve más que en detalles directamente georreferenciables.

También se explorarán y desarrollarán técnicas de correlación o correspondencia automática (surface matching) de DEMs multitemporales generados a partir de datos multifuente como pueden ser estereofotogrametría digital, ALS, radar o GPS. Uno de los componentes de nuestro equipo de investigación, el Profesor Jon P. Mills, puede considerarse pionero a nivel mundial en aplicaciones dirigidas al seguimiento y monitoreo de la evolución costera mediante surface matching (Buckley et al., 2002; Mills et al., 2003; Mills et al., 2005; Miller et al., 2007).

El objetivo sería la orientación automática de MDEs mediante ajuste por mínimos cuadrados a un modelo de referencia (los MDEs de alta precisión obtenidos en el proyecto a partir de ALS). Esto permitirá pasar de una orientación relativa del MDE obtenido fotogramétricamente a una orientación absoluta mediante una transformación Helmert 3D y la reducción de errores sistemáticos en los DEMs obtenidos.

Por otra parte, y dado que los parámetros internos de la cámara utilizada en vuelos históricos suelen ser desconocidos, se explorarán y compararán procedimientos para la incorporación de estos parámetros en el ajuste por mínimos cuadrados del bloque fotogramétrico. Este proceso es conocido como autocalibración (self calibrating bundle adjustment o self-calibration, e.g. Granshaw, 1980; Chandler y Cooper, 1989).

Los parámetros de orientación interna de la cámara pueden ser estimados utilizando metodologías de autocalibración mediante modelos matemáticos típicos de la fotogrametría de objeto cercano (Aguilar et al., 2005b), aunque algunas Estaciones Fotogramétricas Digitales incluyen en sus módulos de aerotriangulación los llamados “parámetros adicionales” basados en ajustes polinómicos (modelos de Ebner, Jacobsen, Brown, Bauer…). Este es el caso del paquete fotogramétrico Leica ORIMA-LPS (Leica Geosystems, 2003), que ha sido utilizado con éxito para la orientación de estéreo-pares de fotogramas históricos por miembros del equipo de investigación de este proyecto (Cardenal et al., 2006).

Una vez orientados los distintos vuelos históricos, se procederá a la obtención y edición del MDE de la franja litoral correspondiente a la zona piloto. Posteriormente se obtendrán las ortoimágenes correspondientes a cada vuelo. Se realizará una evaluación de la calidad de los MDEs generados, tanto por medios estereofotogramétricos como a partir de datos ALS filtrados con herramientas como Terrascan (Terrasolid Ltd., Finlandia), a partir de modelos de estimación de la precisión altimétrica no paramétricos desarrollados por componentes del equipo de investigación (Aguilar et al., 2007b; Aguilar et al., 2007c; Aguilar y Mills, in press).

A partir de los MDEs y de su calidad estimada se delineará la línea de costa (curva de nivel de cota nula) y se le asignará la incertidumbre correspondiente. Igualmente se estudiará la evolución 3D de la franja costera piloto a partir de la detección de cambios (erosión y deposición de materiales) obtenida a partir de la comparación de MDEs multitemporales.

Outputs procedentes del Objetivo 1:

Los resultados que se pretenden obtener tras la consecución del objetivo 1 serían los siguientes:

• Evolución 2D de la línea de costa de la zona piloto desde 1957.
• Detección de zonas de acreción y regresión costera.
• Determinación de la incertidumbre en la ubicación de dicha línea de costa basándonos en la teoría de propagación de errores.
• Evolución 3D de la franja costera estudiada mediante comparación de MDEs multitemporales (detección de cambios).
• Identificación de zonas sensibles y desaparición de arenales.