METODOLOGÍA DE BAJO COSTO PARA EL LEVANTAMIENTO PLANIMÉTRICO DE PREDIOS AGRÍCOLAS CON SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA¹

Oscar I Abarca*

1 Estudio financiado por el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Tecnológicas (CONICIT), ahora Fonacit a través del Proyecto S1-2540.

* Profesor. Universidad Central de Venezuela (UCV). Facultad de Agronomía. Instituto de Ingeniería Agrícola. Apdo. Postal 4800. Maracay 2101-A, estado Aragua. Venezuela. E-mail: abarcao@agr.ucv.ve

NOTA: Trabajo en manos del autor desde 2001.

RESUMEN

El objetivo de este estudio es elaborar un mapa de uso de la tierra con un procedimiento de bajo costo, en un sector agrícola de unas 10.000 ha que corresponde al área de influencia de la laguna La Caicara , municipio Urdaneta del sur del estado Aragua, Venezuela. Para ello se utilizaron fotografías aéreas pancromáticas que fueron digitalizadas, geo-referenciadas y corregidas geométricamente empleando las técnicas de procesamiento digital de imágenes de un Sistema de Información Geográfica (SIG). Se identificaron los usos de la tierra mediante fotointerpretación y supervisión de campo y posteriormente se cuantificó la superficie de cada uno de los usos cartografiados. Se evaluó gráficamente el nivel de precisión obtenido en el mapa de uso, superponiéndolo con el mapa hidrográfico, digitalizado para control, y con el modelo digital de elevación de la zona. El nivel de precisión observado fue satisfactorio para los fines de planificación y gestión agrícola. También se comparó el costo del procedimiento con un levantamiento equivalente a partir de fotogrametría y de topografía convencional, resultando sumamente económico y de rápida ejecución.

Palabras Clave: Sistemas de Información Geográfica; fotografías aéreas; fotogrametría; uso de la tierra; cartografía; procesamiento digital de imágenes; topografía.

SUMMARY

The objective of this study is to elaborate a land use map with a low cost procedure, in an agricultural sector of some 10,000 ha that it corresponds to the La Caicara Lagoon area of influence, Urdaneta municipality in the south of the Aragua State, Venezuela. For they were used pancromatics aerial photographs that were digitized, georeferenced and geometrically corrected using the images digital processing techniques of a SIG. The land uses were identified by means of photo interpretation and field supervision, and later, the surface of each one of the maped land uses was quantified. The level of precision obtained in the land use map was evaluated graphically, superimposing it with the hydrographic map, digitized for control, and with the digital elevation model of the area. The observed level of precision was satisfactory for the objectives of planning and agricultural management. The cost of the procedure was also compared with one equivalent made with photogrammetric mapping and one of conventional topography, being extremely economic and quickly executed.

Key Words: Mapping; land use; GIS; aerial photographs.

RECIBIDO: abril 30, 2001.

INTRODUCCIÓN

La planificación, desarrollo y gestión de unidades de producción agrícola, o de espacios rurales dedicados a la producción, en ocasiones frecuentes requiere el análisis planimétrico cuantitativo de un determinado recurso. Tal es el caso de la medición de superficies de los predios o la cuantificación de la superficie dedicada a diferentes rubros o usos de la tierra.

La situación económica del sector agrícola en general hace prohibitiva para muchos productores la ejecución de estudios para el levantamiento de la información en la finca, razón por la cual muchas acciones de desarrollo son emprendidas sin ningún estudio básico o empleando documentos cartográficos, de existir, completamente desactualizados, actuando en consecuencia contra la sustentabilidad ambiental.

Las fotografías aéreas representan una valiosa fuente de información que tiene una buena cobertura en el país, especialmente al norte del Orinoco, las cuales pudieran generar documentos cartográficos con un adecuado nivel de precisión y a un costo, en tiempo y dinero, sumamente bajo en comparación con los métodos fotogramétricos y topográficos convencionales.

La gestión de unidades de producción agrícola requiere la disponibilidad y el manejo de información oportuna, precisa y abundante sobre los factores que intervienen en el proceso productivo. Muchos de estos factores, que pudieran agruparse en factores físicos, biológicos y socio-económicos, tienen una incidencia espacial y por tanto representación cartográfica. La información que caracteriza estos factores generalmente está desactualizada, sumamente dispersa o no existe, dificultándose el proceso de desarrollo y gestión. El proceso de levantamiento de información es costoso, llegando a niveles prohibitivos, especialmente en unidades de producción agrícola, en las cuales los niveles de rentabilidad hacen difícil la inversión en estudios (Abarca, 2001).

No sólo la gestión de unidades de producción agrícola requiere el levantamiento de variables espaciales. En los estudios de línea base, necesarios para evaluar los posibles impactos del desarrollo de un proyecto, se debe hacer una descripción válida de las condiciones ambientales de un sistema o sistemas antes del desarrollo del proyecto (MARNR, 1997). Esta descripción amerita levantamientos de campo, en muchas ocasiones a bajo costo y rápidamente.

Frecuentemente los planificadores regionales deben dar respuestas rápidas o inmediatas acerca del efecto de cambios en el uso de la tierra. Por tanto deben conocer el uso actual para estimar el impacto ambiental de nuevas propuestas de uso. Si el inventario y los datos del estudio de impacto ambiental son insuficientes, se deben colectar datos adicionales, lo cual puede ser costoso y requerir mucho tiempo de trabajo. Para prevenir que se tomen decisiones sin una adecuada información puede ser suficiente el uso de un método rápido de captura de datos que quizás sea menos preciso (Westinga et al., 1985).

El problema de la reducción de costos y tiempo invertido en los levantamientos de información ambiental concierne no sólo a los productores o gerentes de las unidades de producción agrícola, sino también a instituciones y organizaciones locales gubernamentales o no, que tienen poco presupuesto y un reducido equipo de profesionales. Estos entes deben velar por la selección e implantación de un adecuado sistema de levantamiento y manejo de información que no necesariamente tienen que ser de alta tecnología e inversión.

Harries et al. (1997) evaluaron el uso de Sistema de Información Geográfica (SIG) contra técnicas manuales para análisis de la cobertura terrestre encontrando que el empleo de esta herramienta incrementa el costo en tiempo y dinero invertido en análisis sin obtener incremento en la precisión de los datos mapeados, aunque su estudio fue realizado en planicies de inundación que son paisajes muy inestables y requieren constante actualización cartográfica (inversión en digitalización). En este sentido, sugiere el uso de SIG en proyectos a gran escala con necesidad de manejo de datos complejo.

Las fotografías aéreas son documentos gráficos que como un banco de datos contiene un gran volumen de información (Pernía, 1989). Esta información puede ser extraída y convertida en mapas, apoyándose en fotointerpretación, reduciendo enormemente el trabajo de medición en campo que requieren los levantamientos terrestres tradicionales. Sin embrago, el control de campo no es prescindible y se deben ejecutar procedimientos de corrección de la aerofoto.

Cuando se toma la fotografía aérea se producen variaciones de escala como consecuencia de los cambios de altura del avión al momento de la toma (Arocha, 1978).  Igualmente se produce el desplazamiento de los objetos terrestres debido a la inclinación del eje de la cámara por el balanceo del avión y el desplazamiento debido a la diferencia de altura de los detalles del terreno (desplazamiento debido al relieve) como consecuencia del sistema de proyección central de la aerofoto (Pernía, 1989).

La corrección o compensación de estos errores ha sido uno de los grandes problemas de la fotogrametría. El control terrestre vertical y horizontal es indispensable. Aunque el desarrollo de la triangulación aérea y los métodos sofisticados de ajuste de bloque han reducido enormemente los requerimientos de control, particularmente del control planimétrico (Zarzycki, 1992).

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS), con cámaras integradas y plataformas inerciales, es capaz de proporcionar las coordenadas X, Y, Z del centro de perspectiva de cada fotografía, al momento de la exposición, con suficiente exactitud para satisfacer las especificaciones de los mapas a gran escala (Zarzycki, 1992).

El GPS acoplado a la cámara del avión puede ahorrar cerca del 75% del costo de un procedimiento convencional de control terrestre con GPS (Slijepcevic y Mochty 1996). Sin embargo, cualquier procedimiento de control amerita cierta inversión para poder confeccionar mapas, y más aún en áreas inaccesibles.

En la técnica de la cámara-GPS aerotransportada, las coordenadas obtenidas al momento de la toma son procesadas y usadas en triangulación matemática, como medio para densificar y extender el control geodésico. Los resultados de la triangulación son usados para geo-referenciar los estereo-modelos a las coordenadas de tierra durante el proceso fotogramétrico (Slijepcevic et al., 1996). Para grandes áreas, la fotogrametría se ha considerado como el método más económico para el desarrollo de mapas. Otros métodos, tales como las técnicas topográficas convencionales, que incluyen el uso de tránsitos, teodolitos y estaciones totales, pueden producir mapas precisos, pero, usualmente más costosos en tiempo y trabajo (Clark et al., 1997). Nuevas tecnologías disponibles, tales como las estaciones totales robóticas, el GPS y sistemas láser combinados con GPS, pueden ofrecer alternativas económicas (Clark y Lee, 1997).

Comparadas con las imágenes de satélite, que constituyen una alternativa de menor costo, las aerofotos tienen la ventaja de la alta resolución y la alta calidad geométrica para la producción de mapas topográficos. Además de que su contenido de información es infinitamente mayor (Naithani, 1990).

Para confección de mapas, es esencial que cualquier tipo de imagen de sensor remoto sea referenciada con exactitud al mapa base en proyecto. Con las imágenes de satélite, dada la muy elevada altitud de la plataforma del sensor, se produce un mínimo desplazamiento de la imagen debido al relieve, como consecuencia, la geo-referencia puede ser obtenida con un proceso de transformación sistemático conocido como “hoja de goma”, el cual deforma suavemente la imagen (a través de ecuaciones polinómicas) con base en la posición conocida de un conjunto de puntos de control ampliamente disperso. Con las fotografías aéreas, sin embargo, el proceso es más complejo. No sólo existe la distorsión sistemática producida por el balanceo y la variación de altitud del avión, sino que también el relieve topográfico variable conduce a distorsiones muy irregulares (diferencias de paralaje) que no pueden ser removidas a través del procedimiento de transformación de “hoja de goma”. En este caso es necesario el uso de rectificación fotogramétrica para remover estas distorsiones y proporcionar medidas exactas del mapa. A pesar de esto la porción central de fotografías de gran altitud puede ser corregida con cierto éxito (Eastman, 1999). En regiones relativamente planas, como los llanos venezolanos, las distorsiones producidas por el relieve son mínimas, por lo que las fotografías aéreas en ambientes de este tipo pudieran procesarse para generar cartografía corregida en su deformación planimétrica.

La base aerofotográfica del país, en las regiones agrícolas de relieve plano, puede ser utilizada para estas actividades de levantamiento, aplicando las técnicas de procesamiento digital de imágenes de los SIG (transformación de “hoja de goma”) sobre aerofotos digitalizadas, para la corrección geométrica planimétrica. Este procedimiento sería similar, aunque sin la precisión del caso, al uso de las coordenadas dadas por el GPS, para la triangulación matemática que permite georeferenciar las aerofotos con la técnica de la cámara-GPS. El procesamiento con SIG permitiría obtener aerofotos con corrección geométrica que pudieran ser utilizadas para confección de mapas planimétricos de manera rápida y a muy bajo costo, para el uso en actividades que no requieran elevada precisión.

Elaborar el mapa de uso de la tierra de un sector del sur del estado Aragua empleando técnicas de bajo costo basadas en el procesamiento digital de imágenes con SIG y fotografías aéreas disponibles de la zona.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para el desarrollo del estudio se utilizaron los siguientes materiales:

Equipos: computadora personal, mesa digitalizadora, escaner de mesa, impresora, GPS.

Programas: IDRISI para Windows (Eastman, 1999), ROOTS versión 2,4 (LCGSA, 1997), Microsoft Excel, todos con Licencia UCV.

Datos: Fotografías aéreas de la misión 0301118 de noviembre de 1991 a escala 1:40000, cartas topográficas a escala 1:100000 y 1:25000 y plano topográfico a escala 1:10000.

El trabajo se desarrollo bajo la siguiente secuencia metodológica:

Área de estudio

Se trabajó en el área de influencia de la laguna La Caicara , municipio Urdaneta, sur del estado Aragua (Figura 1). Esta área tiene un potencial agrícola considerable, con una fuente de agua apreciable, constituida por el pequeño embalse La Caicara y carece de información físico natural básica, a pesar de contar con una misión aerofotográfica relativamente reciente.

 

Figura 1. Ubicación del área de estudio.

Digitalización del plano de control

Se digitalizó la red hidrográfica del área de estudio para utilizarla como mapa base de geo-referencia y control. De este mapa y de la red vial del plano topográfico se extrajeron las coordenadas de los puntos de control empleadas en el proceso de corrección de las aerofotos. En la Figura 2 se observa la red hidrográfica del área.

 

Figura 2. Red hidrográfica y red puntos de control.

Fotointerpretación de  las aerofotos

Se analizaron los pares estereoscópicos del área de estudio dibujando las líneas de interpretación sobre película transparente. Con cada foto se obtuvo un documento de fotointerpretación como primera aproximación al mapa de uso. Los polígonos de uso fueron verificados con recorrido de campo y controlados con GPS en modo de medición simple (navegación).

Digitalización de los documentos de fotointerpretación

Las películas de transparencia, obtenidas de la fotointerpretación (dos en total para el área de estudio), se digitalizaron, utilizando un rastreador de mesa (escáner) con una resolución óptica de 400 puntos por pulgada.

Corrección geométrica de las aerofotos y asignación de geo-referencia

Se decidió aplicar el procedimiento “hoja de goma” en el área seleccionada ya que reúne condiciones de relieve plano suficientes para hacer correcciones planimétricas de precisión tolerable. De cualquier manera se hará una evaluación gráfica y cuantitativa de las distorsiones de la imagen digital para verificar si la aplicación del procedimiento tiene validez para las condiciones altimétricas del área y para los fines indicados.

El procedimiento de corrección consistió en tomar, sobre el mapa de referencia, puntos de control que fueran identificables en la aerofoto y pudieran ser volcados sobre el documento de fotointerpretación. Estos puntos de control se seleccionaron como elementos geográficos fácilmente identificables, tales como los cruces de carreteras, cercas o ríos. Se leyeron las coordenadas de estos puntos sobre el plano topográfico a escala 1:10000 disponible, utilizando su sistema de geo-referencia (Provisional de Suramérica 1956 – Cuadrícula UTM – Huso 19). También se leyeron las coordenadas de los mismos puntos de control, pero ahora en el documento obtenido por fotointerpretación de las aerofotos, previamente digitalizado, el cual tiene un sistema de referencia relativo, con coordenadas planas asignadas por el escáner en función a la resolución seleccionada para el proceso de digitalización.

El sistema IDRISI, aplicado en este estudio, utiliza ecuaciones polinómicas que permiten transformar las coordenadas de los puntos de control seleccionados, en la aerofoto o documento de fotointerpretación digitalizado, al sistema de coordenadas UTM del mapa de referencia. De esta manera se corrige la aerofoto, eliminando sus distorsiones naturales y a la vez se asigna el sistema de geo-referencia.

Según Eastman (1999), las ecuaciones polinómicas empleadas por el sistema IDRISI son:

 

LINEAL: E = N = b₀ + b₁X + b₂Y

CUADRÁTICA: E = N = b₀ + b₁X + b₂Y + b₃X² + b₄XY + b₅Y²

CÚBICA: E = N = b₀ + b₁X + b₂Y + b₃X² + b₄XY + b₅Y² +b₆X³ +b₇X²Y + b₈XY² +b₉Y³

En el procedimiento de ajuste la ecuación lineal requiere un mínimo matemático de 3 puntos de control, la cuadrática 6 puntos y la cúbica 10 puntos. Sin embargo, en la práctica, se debería tener de 2 a 3 veces el mínimo de puntos para tener un ajuste razonable. En general se debería usar el polinomio de orden más bajo que proporcione una solución razonable dado que el efecto negativo de puntos de control de baja calidad empeora cuando se incrementa el orden de la ecuación (Eastman, 1999).

Validación de resultados

Se hizo una validación cualitativa de los resultados del procedimiento, mediante una interpretación visual de la aerofoto digitalizada, comparándola con la planimetría del área, obtenida de la cartografía disponible. Así mismo, se hizo una validación cuantitativa de los resultados, evaluando los errores medios cuadráticos (RMS) derivados por el SIG cuando se aplicó el procesamiento digital de la imagen.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Obtención del mapa de uso de la tierra

A partir del análisis de las aerofotos del área de estudio y con apoyo en chequeo de campo, se generó un documento de fotointerpretación que posteriormente fue digitalizado. Se identificaron 20 puntos de control y se extrajeron sus coordenadas, tanto del mapa topográfico analógico como del documento de fotointerpretación digitalizado. Se aplicó el procedimiento de transformación para una ecuación lineal, con resultados pobres que se observaron cuando se superpusieron la aerofoto procesada y el plano hidrográfico del área. Las ecuaciones cuadrática y cúbica dieron similares resultados gráficos, sin embargo se deberían tener más puntos de control para poder aplicar el procedimiento con una ecuación cúbica. En los Cuadros 1 y 2 se presentan los resultados obtenidos para una ecuación cuadrática.

Cuadro 1. Coeficientes de la ecuación de transformación

Cuadro 2. Puntos de control usados en la transformación

Esta transformación generó una imagen corregida que luego fue vectorizada y rasterizada para obtener el mapa de uso presentado en la Figura 3. De acuerdo a este mapa en la zona se identifican los usos mostrados en el Cuadro 3.

Cuadro 3. Cobertura vegetal y uso de la tierra en el área de desarrollo.

La superposición del mapa hidrográfico de control, sobre el mapa de uso generado con el procedimiento de corrección, permite observar gráficamente el grado de precisión obtenido (Figura 3). En la Figura 4 se detalla este nivel de concordancia al observar la coincidencia de un polígono de uso con los márgenes del río Memo, sin embargo existen desplazamientos en algunas áreas, tal como se observa en el espejo de agua de la laguna La Caicara (Figura 5).

 

Figura 3. Cobertura vegetal y uso de la tierra 1000 m

Figura 4. Sector ampliado del mapa de uso. Márgenes del río Memo (sector sur-este). 1.500M

 

Figura 5. Sector ampliado del mapa de uso de la tierra. Laguna La Caicara (sector nor-oeste).

La asignación de geo-referencia y corrección geométrica de las aerofotos permitió superponerlas sobre el modelo digital de elevación del área, tal como se observa en la Figura 6.

 

Figura 6. Superposición de la aerofoto corregida en el modelo digital de elevación.

En la Figura 3 se observa que el desplazamiento del río Memo con relación a las unidades de uso de la tierra es mayor al noreste que al sur. Esto puede ser debido a que en esa zona se tomaron menos puntos de control, por falta de información topográfica (Figura 2). También en esa zona se encuentra un relieve más accidentado (Figura 6) y las distorsiones ocasionadas por el relieve no pueden ser ajustadas con este procedimiento. También se observan desplazamientos al noroeste y al suroeste, cerca de los márgenes de la imagen, lo cual puede ser ocasionado por la distorsión intrínseca de la aerofoto que se produce en los sectores alejados del centro de la imagen, distorsión difícil de corregir.

Los valores de los residuales de los puntos de control (RMS), presentados en el Cuadro 2, se graficaron en orden ascendente y se presentan en la Figura 7. Allí se observan 3 grupos de datos: uno de valores bajos ( 1,48 a 4,11), uno de valores medios ( 5,66 a 8,66) y otro de valores altos ( 10,39 a 14,27). Los puntos de control 3, 9, 12 y 20 (Figura 2), ubicados en el rango de valores altos de RMS y los puntos 1, 2, 7 y 8, ubicados en el rango de valores medios, se localizan geográficamente en los bordes del área de estudio, por lo que se pudiera asociar el alto valor de RMS a su localización separada del centro de la aerofoto. Los puntos 1,2, 4, 8, 9 y 12 se ubican en áreas de relieve ondulado, lo que pudiera explicar sus valores altos y medios de RMS.  En general los puntos con valores bajos de RMS se ubican en las zonas planas del sector central de la fotografía.

El valor promedio de RMS fue de 7,77 m , ubicándose por debajo de la resolución de 10 m asignada a la aerofoto digital.

La escala original de la aerofoto es de 1:40000, por lo que el RMS máximo permitido para la elaboración de documentos cartográficos es de unos 20 m . Si se vana a confeccionar mapas a escala 1:10000 el RMS permitido es 3 m y si la escala es 1:20.000 el RMS permitido es de 10 m (Eastman, 1999).

Se concluye por tanto que el procedimiento utilizado permite confeccionar mapas de cobertura y uso de la tierra en la zona de estudio a escala 1:20000. Para la utilización de este procedimiento se debe tener la precaución de aplicarlo en regiones de relieve plano o suavemente ondulado y procesar sólo la porción central de la aerofoto. Si el área es extensa y ocupa más de una fotografía se pueden confeccionar mosaicos y aprovechar el solape de las fotos procesando sólo la porción central.

 

Figura 7. Residuales de los puntos de control (RMS)

La rapidez y economía del procedimiento descrito lo hace muy útil para la generación de información planimétrica cuando se carece de información y se tienen limitaciones presupuestarias, sin embargo se deben evaluar más profundamente los niveles de precisión obtenidos en la confección de los mapas. En este sentido es recomendable su uso para actividades que no requieren elevados niveles de precisión, tales como planificación del uso de la tierra, inventario de recursos, identificación predial, cuantificación de superficies de producción, estudios de impacto ambiental e inclusive para el diseño de obras de infraestructura al nivel de ingeniería conceptual.

El costo de todo el proceso de elaboración del mapa fue de 3.000.000,00 Bs aproximadamente. Este costo incluye el valor del par estereoscópico fotográfico del área (4 vistas), la cartografía básica, el servicio de digitalización del plano topográfico a escala 1:10000, las horas de servicio requeridas para la aplicación del procedimiento (fotointerpretación, chequeo de campo y procesamiento) y el costo de 3 días de trabajo de campo.

A manera de referencia, un levantamiento y restitución fotogramétrico para la zona de estudio es de unos 90.000.000,00 Bs (9.000 Bs ha^-1). Este incluye el costo de un vuelo para la toma de vistas aéreas, el trabajo de laboratorio fotográfico, la restitución y el control terrestre, para la generación de planos topográficos plani-altimétricos (no incluye el levantamiento de uso de la tierra). Un levantamiento topográfico convencional de los polígonos de cobertura y uso de la tierra, incluyendo planimetría y altimetría, empleando Estación Total Electrónica, tendría un costo aproximado para la zona de 200.000.000,00 Bs (unos 20.000 Bs ha^-1).

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