Los avances de la cartografía: hacia la tercera dimensión

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Figura 1. Imágenes de satélite. Diferencias entre a) una imagen Landsat TM de 2005 y otra b) QuickBird de 2004 correspondiente al norte de la ciudad de Valencia. En ambos casos se muestra una combinación de bandas en color falso. Se observa la gran diferencia de resolución espacial entre las dos imágenes.

Advances in cartography: towards the third dimension
The last fifteen years have witnessed an authentic revolution in the field of cartography, and especially in the three dimensional characterization of territory. The change is founded, undoubtedly, in improvements in the field of geographical positioning —global positioning systems— in that of the massive catchment of geographical data —with the development of aero-transported sensors that are increasingly more exact and powerful, like satellites and radars— and in their management —with the development of geographical information systems (GIS) and digital elevation models (DEM). From our perspective, four things have fundamentally changed: the way in which information is gathered, the degree of accuracy, the size of the geographical space reached and the popularization and diffusion of cartography.

En los últimos quince años asistimos a una auténtica revolución en el amplio campo de la cartografía, y muy especialmente en la caracterización tridimensional del territorio. Los avances tecnológicos están cambiando no sólo las herramientas y las fuentes para conocer la realidad geográfica sino incluso la manera de estudiarla, ahora con un detalle insospechado hace pocos años. Esto, sin embargo, no afecta únicamente a los especialistas, sino que cualquier persona puede percibir con claridad esta revolución: sólo hay que entrar desde nuestro ordenador personal en el Google Earth para visitar cualquier lugar del planeta y disponer de una visión tridimensional con una precisión francamente abrumadora.

El cambio que vivimos se fundamenta, sin duda, en las mejoras tecnológicas de las últimas décadas, tanto en el campo de posicionamiento geográfico –sostenidas en buena medida por los sistemas de posicionamiento global que proporcionan los satélites artificiales y los avances en la geodesia– como en el de la captación masiva de datos geográficos –con el desarrollo de sensores aerotransportados cada vez más precisos y potentes– y en la gestión que se hace de ellos –con el desarrollo de los sistemas de información geográfica (SIG). Sin embargo, los nuevos sistemas de captación de la información registran, básicamente, datos muy semejantes a los que recogían tradicionalmente los topógrafos. De manera que buena parte de la información geográfica que hoy nos sorprende por su disponibilidad ya existía hace muchos años en los mapas topográficos tradicionales. ¿Qué ha cambiado realmente? Desde nuestra perspectiva, fundamentalmente han cambiado tres cosas: la manera en la que ahora disponemos de la información, el nivel de precisión y la amplitud del espacio geográfico alcanzado.

Nuevos sistemas de adquisición de la información topográfica

La revolución que vivimos empezó con la mejora de la captación de los datos. Los métodos –topográficos y fotogramétricos– tradicionales para localizar con planimetría y altimetría cada punto han avanzado sustancialmente y, al mismo tiempo, se han desarrollado otros nuevos, impensables hace pocos años. La generalización de la fotografía aérea para los análisis espaciales a partir de los años 1960 implicó un salto cualitativo que permitió pasar de una información aislada obtenida con gran esfuerzo sobre el campo, a la observación directa del territorio. La cartografía temática se multiplicó ante la posibilidad de recoger mucha información diversa en el tiempo y el espacio. Por otra parte, en los años 1980, las imágenes de satélite antes restringidas a fines militares se empezaron a difundir. Los sensores permitían captar la radiación electromagnética en diferentes bandas, con lo que, a las imágenes del espectro visible, se sumaron otras procedentes del infrarrojo o incluso de las microondas (radar). La precisión espectral (tres o cuatro bandas del espectro electromagnético), la radiométrica (que permitía diferenciar unos 255 niveles digitales o niveles de gris en una imagen), la espacial (cientos de metros) y la temporal (semanas) de los primeros satélites mejoró sustancialmente con el tiempo y hoy en día hay varias generaciones de sensores (series Ikonos, Orb-View, Spot 5, QuickBird, AVIRIS, CASI, ASTER…) que adquieren información de decenas de canales, con una resolución espacial inferior a un metro (que en usos militares restringidos puede ser de 20-30 cm), diferenciando miles de niveles digitales y con una frecuencia de horas (figura 1).

 

«Los avances tecnológicos están cambiando no sólo las herramientas y las fuentes  para conocer la realidad geográfica, sino incluso la manera de estudiarla»

Uno de los objetivos más antiguos de la cartografía es la localización exacta de los objetos. La georreferenciación, que antes sólo se podía alcanzar con métodos topográficos, se puede hacer hoy en día mediante los GPS (sistema de posicionamiento global). Se trata de un sistema creado por el departamento de Defensa de EEUU que se fundamenta en la determinación de la posición de cualquier lugar donde coloquemos una antena mediante la diferencia de posiciones con respecto a distintos satélites que orbitan la Tierra cuya posición exacta se conoce en cada instante. Este procedimiento permite localizar un objeto refiriéndolo a un sistema de referencia universal (el sistema WGS84) que, al mismo tiempo, puede ser exportado a los sistemas de referencia estatales, en nuestro caso el ED50, y a la proyección cartográfica más conveniente, que para nosotros habitualmente será la UTM (Universal Transverse Mercator). La ubicación de los veinticuatro satélites, que orbitan continuamente la Tierra, es controlada por las estaciones de seguimiento. La posición de un objeto se calcula midiendo la distancia que lo separa con respecto a tres satélites como mínimo, aunque para una mayor precisión se necesitan cuatro. Esta operación se hace calculando el tiempo que tarda una señal de radio emitida por el satélite en llegar al receptor de GPS. Como conocemos la velocidad del sonido, podemos calcular la distancia a la que estamos de los satélites. Hoy en día los receptores de GPS pueden incorporar mapas digitales que permiten seguir una trayectoria y conocer la posición en cualquier momento. Las aplicaciones para la navegación aérea, marítima o terrestre son inmensas y usar receptores de GPS se ha hecho habitual. La precisión intrínseca del sistema GPS, sin corrección y con ocho satélites, oscila entre seis y quince metros. Esta precisión, más que suficiente para localizar un objeto, se ha mejorado para explotarla científicamente. Así, con los sistemas de posicionamiento global en su forma diferencial en tiempo real (conocido como GPS-RTK) es posible determinar las coordenadas del punto donde se encuentra el receptor de la señal de manera inmediata con un grado de precisión inferior a los ±5 cm en planimetría y de ±10-15 cm en altimetría. Esto, por ejemplo, permite hacer medidas muy rápidas y precisas de espacios cambiantes, como un seguimiento de cambios de las playas o dunas, simplemente recorriéndolas con un quad (figura 2) y posteriormente midiendo los cambios (figura 3). Éste es un buen sistema para alzar topográficamente áreas relativamente pequeñas y/o cambiantes, ya que es preciso, rápido y barato.

Para zonas más amplias se pueden ya utilizar sistemas de medida manejados desde un avión. En este sentido los distanciómetros láser han revolucionado la forma de obtener los datos topográficos. El LiDAR (acrónimo de Light Detection and Ranging) aerotransportado es un equipo que consta de un distanciómetro láser y de un espejo que desvía el haz de luz perpendicularmente a la trayectoria del avión. Este desplazamiento lateral combinado con la trayectoria del avión permite barrer el terreno de debajo. El sistema mide la distancia del sensor en el terreno a partir del tiempo que tarda el rayo de luz en llegar al suelo y volver al sensor. Si se conocen las coordenadas del avión en cada instante (lo que se consigue con un sistema GPS diferencial basado en un sistema inercial, que determina el cambio de posición) y el ángulo del espejo, se pueden calcular las coordenadas de cada punto que recibe las señales láser.

El resultado de un vuelo LiDAR es una colección de puntos con coordenadas precisas que pueden llegar a más de 30.000 puntos por segundo. Además, por cada pulso láser emitido, el sensor puede detectar el retorno de hasta dos ecos (o señales), como también la intensidad de la energía reflejada. Con los dos ecos registrados de cada señal se obtienen dos informaciones distintas: la primera marca la posición del primer elemento encontrado, que no necesariamente es la tierra sino que puede ser un árbol o cualquier otro objeto de la superficie terrestre; el segundo –más energético– es la señal reflejada por la superficie más sólida que hay por debajo. El resultado del procesamiento de estas dos series de datos son dos modelos digitales del terreno (MDT): uno es el modelo digital de elevaciones (es decir, un modelo de las cotas o elevaciones del suelo aunque no siempre es un modelo perfecto, ya que puede haber edificaciones y otros elementos) y el otro es el que se conoce como modelo digital de superficie, que muestra la distribución de las cotas de los elementos superpuestos. La comparación de ambos modelos puede aportar información sumamente valiosa, no sólo para los trabajos topográficos sino para estudios forestales y ecológicos. La resolución de estos modelos puede ser de hasta un metro, con una precisión vertical de ±15-20 cm y horizontal de 0,30-1 m.

Otro dispositivo para la adquisición masiva de datos topográficos es el radar interferométrico de apertura sintética (InSAR) que desde un avión puede obtener imágenes topográficas de un territorio. Los pulsos de energía en onda corta emitidos por el dispositivo radar sobre la superficie de la tierra y que vuelven con la señal del terreno son recibidos por dos antenas que registran la elevación (z) de coordenadas geográficas precisas (x, y). Las coordenadas planimétricas son determinadas mediante tecnología GPS diferencial y sistemas inerciales. Las imágenes tomadas con radar interferométrico tienen ventajas especiales con respecto al resto de los sistemas por la posibilidad de registrar información del suelo en cualquier condición atmosférica –algo especialmente útil para determinadas áreas intertropicales donde las nubes son casi constantes– y tiene capacidad para obtener información a nivel del suelo, atravesando una cubierta arbórea bastante densa. El grado de precisión, sin llegar a ser tan elevado como el del LiDAR, permite obtener resultados muy detallados.

 

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Figura 2. Si colocamos una antena móvil de un GPS-RTK sobre un vehículo de cuatro ruedas, podemos registrar con gran rapidez la configuración topográfica de una zona. Este método se ha mostrado especialmente útil para el seguimiento de los cambios morfológicos en áreas muy cambiantes y fácilmente accesibles como son las playas.

«Buena parte de la información geográfica que hoy nos sorprende por su disponibilidad ya existía hace muchos años en los mapas topográficos tradicionales»

 

 

 

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Figura 3. A partir de dos MDE de la playa del Saler alzados con GPS-RTK en fechas distintas (octubre de 2005 y enero de 2006) se han obtenido las diferencias y se puede observar cómo han cambiado en cada lugar. En rojo se representan los espacios con pérdidas y en azul las ganancias. Como base se muestra una ortofotografía que permite localizar fácilmente los fenómenos.
Hagan clic en la imagen para verla con más detalle.

Los cambios, sin embargo, no afectan sólo a la capacidad de ver y analizar de otro modo la realidad geográfica, sino que además aumentan considerablemente el detalle y la exactitud. Los avances obtenidos en estos últimos años en la adquisición de información geográfica –y muy especialmente topográfica– hacen que hoy en día la principal preocupación de topógrafos y cartógrafos ya no sea adquirir más datos, sino procesar rápidamente y eficientemente estos datos que nos llegan de manera masiva. El problema se ha resuelto en parte mediante los SIG, complejos programas informáticos que permiten almacenar la información del territorio organizada por capas y localizada geográficamente. Estos sistemas facilitan la gestión de esta información manipulándola e interrelacionándola, así como obtener otra nueva (figura 4).

De manera simplista podríamos indicar que el SIG funciona como una base de datos con información geográfica de carácter alfanumérico, que tiene asociado un identificador geográfico. De esta manera se pueden conocer los atributos o la localización de cualquier objeto. Además, al ser la información de carácter numérico, permite operar matemáticamente con las diferentes capas. Así pues, la localización, la observación de cambios temporales y espaciales, el cumplimiento de determinadas condiciones y la creación de información nueva son algunas de las funciones habituales de un SIG. En un SIG podemos introducir ortofotos, imágenes de satélite, datos topográficos (curvas de nivel) y cualquier otra información espacial (vías de comunicación, ciudades, industrias, infraestructuras sanitarias, etc.) (figura 4). Esta información puede ser de tipo raster (dos dimensiones) o vectorial (lineal o puntual). Aunque la mayoría de los SIG son de tipo comercial (ArcGis, Mapinfo, Idrisi, Geographics, Miramon, etc.) y funcionan con licencias de pago, en Internet han aparecido algunos gratuitos (GRASS GIS, JUMP, gvSIG, SAGA GIS, etc.).

Modelos digitales del terreno

Hoy en día disponemos de la información de posicionamiento –definido por las tres coordenadas espaciales, x, y, z (longitud, latitud y altitud)– de los objetos geográficos de forma explícita, cuando hasta hace unos años era sólo implícita. ¿Qué queremos decir con esto? Cuando un usuario coge un mapa topográfico puede deducir, si sabe leer las curvas de nivel, a qué cota está cualquier lugar de la zona cartografiada. Le bastará con resolver –mentalmente– una sencilla ecuación de primer grado. Por ello podemos decir que quien sabe leer un mapa topográfico puede reconocer sin problemas cuál es el relieve de un lugar determinado. Este reconocimiento, sin embargo, se hace mentalmente y, por lo tanto, no es tan sencillo explicitarlo de manera gráfica ni tampoco resulta nada fácil operar matemáticamente con esta realidad sólo «mentalmente» definida. Disponer de la información en formato digital puede explicitar esta configuración que implícitamente ya estaba en el mapa topográfico. Los modelos digitales del terreno (MDT) son un conjunto de datos numéricos que describen la distribución espacial de una característica del territorio, como la elevación (en este caso los llamamos modelos digitales de elevación, MDE). Disponiendo la información en formato digital, cabe la posibilidad de presentarla de manera más sugerente que en la tradicional forma bidimensional de un mapa. Así, se pueden hacer visualizaciones tridimensionales e incluso es posible desplazar la posición del punto de vista, como si voláramos, por encima de esta realidad virtual tridimensional sobre la que, además, se puede superponer una imagen detallada de la superficie y conseguir una visión sumamente realista: una visita al Google Earth ejemplifica lo que decimos mejor que cualquier otra explicación. El desarrollo de esta tecnología debe mucho a los intereses militares y, también, al mundo de los videojuegos.

La disponibilidad de los datos topográficos sobre todos los puntos de la superficie geográfica estudiada, que es la que contiene un modelo digital de elevaciones, permite, además de visualizar la realidad, extraer información relacionada directamente con la configuración topográfica de manera rápida y precisa. Así, por ejemplo, es sencillo deducir directamente la pendiente de cada punto o su orientación, que en parte podríamos obtener desde un mapa topográfico. Con el MDE, sin embargo, podemos calcular datos mucho más difíciles, como los valores de radiación solar directa que puede recibir cada punto de un territorio a lo largo de un año (figura 5) y que hasta hace poco se resolvía definiendo un espacio simplemente como de solana o de sombra, o deducir los caminos que seguirá la escorrentía. Todo esto invita a incluir la realidad tridimensional dentro de los modelos de predicción de los procesos naturales (de carácter ecológico, hidrológico o geomorfológico).

 

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Figura 4. Estructura de un SIG de la isla de Menorca, formado por una imagen de satélite, un mapa de pendientes, una capa con la red de drenaje, otra con depresiones de origen cárstico y otra referida a la integral hipsométrica de las cuencas de drenaje.

«Hoy en día, la principal preocupación de topógrafos y cartógrafos es procesar rápida y eficientemente los datos que nos llegan de forma masiva»

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Figura 5. En la figura se muestran cuatro modelos digitales del terreno. El modelo digital de elevaciones presenta la distribución de las elevaciones o cotas del terreno. El modelo de la curvatura de la superficie representa las inflexiones cóncavas –representadas en azul– y las convexas –representadas en rojo–. El modelo de insolación potencial anual muestra unos valores de la diferente distribución de la energía solar a lo largo de un año. Para realizarlo, se ha calculado la posición del sol a cada hora de un día de cada quince y para cada posición del sol se ha evaluado cuánta energía recibirá cada celda del modelo (en este caso de 10 x 10 metros) y qué puntos del terreno quedarán iluminados por el sol o permanecerán a la sombra como efecto de la orografía. Finalmente se han integrado todos los datos para el conjunto de un año. El modelo de pendientes muestra esta variable topográfica en grados.
  

La popularización de la cartografía en internet

Un cambio muy significativo que ha experimentado la cartografía en la segunda mitad del siglo XX ha sido la democratización. Se ha pasado en unas décadas de una cartografía casi secreta, en manos de los ejércitos o de los estados, y muy limitada, a una enorme disponibilidad e incluso a la gratuidad de los materiales. Con el tiempo se han creado servidores que facilitan cartografía temática a cualquier usuario. Los servidores permiten visualizar mapas, la localización, la identificación de atributos, las consultas sencillas e incluso la conexión a bases de datos remotas para poder crear mapas temáticos.

Por otra parte la cartografía topográfica y sus derivados se están extendiendo a través de la red. Disponer de la información topográfica en forma de MDE hace cada vez menos necesario el recurso a las tradicionales hojas del mapa topográfico. En principio podemos unir sin ninguna dificultad modelos contiguos, creando así una realidad continua, algo decisivo para múltiples aplicaciones: por ejemplo para crear la cartografía de los campos de visión desde posiciones específicas o definir las cuencas hidrográficas.

¿Podemos, por lo tanto, hablar ya de un mapa continuo? La respuesta es sí y no. En realidad, los productos disponibles están siempre limitados a áreas concretas; ahora bien, es cierto que se dispone de información de casi todas las tierras emergidas del planeta. Durante once días de febrero de 2000 un transportador espacial de la NASA se dedicó a realizar un alzado topográfico del 80% de las tierras del planeta utilizando un radar interferométrico de apertura sintética. Este proyecto, conocido como la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), liderado por la NASA/NGA, ha permitido disponer de un MDE casi global del planeta con una resolución espacial de unos noventa metros y con una precisión altimétrica de unos dieciséis metros que se ha puesto a disposición de toda la comunidad científica y técnica (http://srtm.usgs.gob/fecha/obtainingdata.html). Esta disponibilidad prácticamente global de información está abriendo una ventana a los análisis continentales con unos datos de precisión limitada, pero suficiente, con una calidad homogénea y sin las limitaciones que imponen los límites nacionales. Al mismo tiempo, para muchos países acaba siendo la mejor fuente de información geográfica disponible. Hacer un uso constructivo de todo esto, sin embargo, es trabajo de todos.

BIBLIOGRAFÍA
Burrough, P. A. y R. A. McDonnell, 2000. Principles of Geographical Informations Systems (Spatial Informations Systems). Oxford University Press. Nova York.
Felicísimo, A. M., 1999. Modelos digitales del terreno. Curso introductorio.
Palomar Vázquez, J. et al. (eds.), 2003. Sistemas de Información Geográfica aplicados a la gestión de recursos naturales. UPV Abierta. Editorial de la Universitat Politècnica de València. València. Llibre electrònic en CD-ROM.
Pardo-Pascual, J. E. et al., 2005. «New methods and tools to analyze beach-dune system using a Real-Time Kinematic Global Positioning System and Geographic Information Systems». Journal of Coastal Research, Special Issue, 49: 34-39.
Ruiz Fernández, L., 1998. Introducción al tratamiento digital de imágenes en teledetección. Servicio de Publicaciones de la UPV. València.
Sabins, F. F., 2000. Remote sensing. Principles and interpretation. Freeman. San Francisco.

Josep E. Pardo Pascual. Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría. Universitat Politècnica de València.
Francesca Segura Beltran. Departamento de Geografía. Universitat de València.
© Mètode, Anuario 2008.

  
Cartografía en la red

Internet ha permitido disponer en pocos años de los materiales cartográficos y, en muchos casos, de manera gratuita. A continuación les detallamos algunos recursos interesantes.

Servidores en red

Servidores comerciales
ArcIMS.
Autodesk MapGuide.
Geomedia Web Map.
MapXtreme.
Bentley Publisher.

Servidores públicos basados en servidores comerciales
National Geographic. Búsqueda de topónimos y visualización de cartografía e imágenes de satélite (ArcIMS).
Mapas de Google: Búsqueda de topónimos y visualización de cartografía e imágenes de satélite.
Google Earth es una ventana tridimensional del planeta. Combina imágenes de satélite, mapas y modelos digitales del terreno, lo que permite visualizar cualquier lugar incluso en tres dimensiones.
Mapserver del Institut Cartogràfic de Catalunya. Catálogo de cartografía y fototeca de Cataluña. Búsqueda de topónimos a escala 1:250000 y 1:5000 (ArcIMS).
Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. (AutoDesk MapGuide). SIG Oleícola, SIGPAC.
Instituto Cartográfico Valenciano: Cartografía 1/10.000 y vuelos virtuales. Sólo permite imprimir y consultar en red.
Laboratorio de SIG y Teledetección del Departamento de Geografía de la Universitat de València: Ofrece la consulta desde la cartoteca de la Universitat y fotografía aérea, cartografía topográfica y temática del País Valenciano.

GvSIG

Es una herramienta orientada al manejo de información geográfica desarrollada desde la Conselleria de Infraestructuras y Transportes de la Generalitat Valenciana. Se caracteriza por una interfaz agradable, y es capaz de acceder a los formatos más usuales de manera ágil, tanto de barrido como vectorial. Integra en una vista tanto datos locales como remotos a través de un origen WMS, WCS o WFS.

Está orientada a usuarios finales de información de naturaleza geográfica, bien sean profesionales o de administraciones públicas. Está desarrollada en código abierto y, por su naturaleza, permite a los distintos programadores y especialistas introducir mejoras y nuevas extensiones para aplicaciones específicas.

Josep E. Pardo Pascual. Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría. Universidad Politécnica de Valencia.
Francesca Segura Beltran. Departamento de Geografía. Universitat de València.
© Mètode, Anuario 2008.

  
© Mètode 2011 - 53. Cartografía - Contenido disponible solo en versión digital. Primavera 2007