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PROYECTO FIN DE MÁSTER “APLICACIÓN DE FOTOGRAMETRÍA DIGITAL AUTOMATIZADA EN GEOMORFOLOGÍA: DINÁMICA MORFOSEDIMENTARIA EN RIOS DE GRAVAS” Autor: Efrén Muñoz Narciso Directores: Dr. Damià Vericat Querol Dr. Miguel Ángel Saz Sánchez Máster Universitario en Tecnologías de la información geográfica para la ordenación del territorio: sistemas de información geográfica y teledetección Septiembre de 2014 Departamento de Geografía y Ordenación del Territorio PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 2 RESUMEN El desarrollo de modelos topográficos es fundamental para la caracterización de superficies, para el estudio evolutivo de éstas, y para la parametrización de modelos. En este trabajo se presenta un flujo de trabajo completo para la obtención de información topográfica y ortofotos mediante la aplicación de técnicas de fotogrametría digital automatizada o Structure from Motion (SfM). Esta metodología se ha aplicado en un tramo de 13-km del Alto Cinca. Se han obtenido numerosas fotografías aéreas de proximidad y se ha establecido una red de 203 puntos de control (GCPs). Se ha estudiado el efecto del número de puntos de control (GCPs) y su distribución espacial sobre la calidad de la información topográfica resultante. Los resultados indican como la utilización de 61 GCPs (4.7 GCPs por quilómetro lineal de río, 0.13 GCPs/ha) garantiza errores relativamente bajos de georreferenciación (0.10 m) y calidades aceptables en la topografía obtenida (0.5 m). Por su parte, la localización de los GCPs también puede determinar la calidad de la información topográfica. Se considera el patrón de distribución perimetral como el patrón óptimo para minimizar el tiempo de posicionamiento de los GCPs, garantizando, a su vez, errores de georreferenciación relativamente bajos (0.13 m) y calidades aceptables (0.28 m). Finalmente, la comparación de observaciones topográficas obtenidas mediante SfM y las adquiridas mediante Láser Escáner Terrestre en dos zonas test, muestra como la complejidad topográfica de las superficies puede determinar la magnitud de los errores. De manera específica, los datos topográficos obtenidos en superficies lisas presentan una mejor calidad que los adquiridos en superficies rugosas (errores medios de 0.4 y 0.6 m, respectivamente). La fotogrametría digital automatizada es una técnica que está siendo ampliamente utilizada en multitud de áreas de conocimiento, aunque su correcta utilización requiere de un diseño metodológico específico y flujos de trabajo complejos para minimizar los errores y aumentar la calidad de la información resultante en base a las particularidades de las áreas de estudio y a los objetivos específicos de los estudios. Palabras clave: topografía, fotogrametría, SfM, puntos de control, GCPs, análisis de errores, georreferenciación, complejidad topográfica, calidad, río Cinca. ABSTRACT The development of topographic models is essential for the characterization of surfaces, for the study of topographic changes and to support modeling. In this project we present and evaluate a complete workflow to develop ortophotos and topographic point clouds by means of automatic digital photogrammetry or Structure from Motion (SFM). This methodology has been applied on a 13-km river reach of the Upper Cinca. Thousands of close-range high resolution aerials were taken. A total of 203 ground control points (GCPS) were established. The obtained topographic data was analyzed to determine the effect of the number of control points (GCPs) and their spatial distribution on the quality of the resulting information. The results indicate how the use of 61 GCPs (4.7 GCPs /km, 0.13 GCPs / ha) ensures relatively low georeferencing errors (0.10 m) and acceptable quality in the obtained topography (0.5 m). Results show as the location of the GCPs can also determine the quality of the topographic data. A distribution of GCPs following the perimeter of the study reach provide the optimal solution since it reduces the time involved in the location of the GCPs and, additionally, present relatively low georeferencing errors (0.13 m) and an acceptable data quality (0.28 m). Finally, the comparison of survey observations obtained by means of SfM and Terrestrial Laser Scanning acquired in two test areas shown as topographic complexity of the surfaces can determine the magnitude of the errors. Specifically, the survey data obtained on smooth surfaces has better quality than those obtained on rough surfaces (mean errors of 0.4 and 0.6 m, respectively). Automated digital photogrammetry is a technique that is widely used, but their proper use requires a specific methodological design and complex workflows to minimize the errors and increase the quality of the resulting information based on the particularities of the study areas and the specific objectives of the studies. Key words: surveys, photogrammetry, SfM, ground control points, GCPs, errors, georeferencing, topographic complexity, quality, Cinca river. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 3 ÍNDICE 1. Introducción ..................................................................................................................... pág. 11 1.1. La importancia de los Sistemas de Información Geográfica y la Teledetección en los estudios de geomorfología ............................................................... pág. 12 1.2. Métodos y técnicas para la obtención de información topográfica de elevada resolución: avances y nuevas oportunidades ........................................................ pág. 13 1.3. Objetivos del Trabajo Final de Máster ....................................................................... pág. 16 2. Área de estudio ................................................................................................................ pág. 18 2.1 El tramo alto del río Cinca: particularidades y oportunidades ................................. pág. 19 2.2 El Alto Cinca. Análisis SIG para su caracterización ............................................... pág. 21 2.2.1 Red de drenaje ................................................................................................ pág. 21 2.2.2 Análisis del relieve ......................................................................................... pág. 22 2.2.3 Usos del suelo ................................................................................................. pág. 24 2.2.4 Geología .......................................................................................................... pág. 25 2.2.5 Clima. ............................................................................................................. pág. 27 2.2.6 Hidrología. ..................................................................................................... pág. 28 2.2.7 Dinámica morfológica e impactos ................................................................. pág. 32 2.2.7.1 Morfodinámica. ..................................................................................... pág. 32 2.2.7.2 Impactos antrópicos. .............................................................................. pág. 34 3. Metodología y diseño experimental ............................................................................... pág. 36 3.1 Obtención de datos topográficos a escala de tramo ................................................. pág. 37 3.1.1Diseño experimental y adquisición de datos ................................................... pág. 37 3.1.2 Post-procesado: aplicación de técnicas de fotogrametría digital automatizada. ................................................................................................................................ pág. 40 3.1.3 Post-procesado: regularización de la información ......................................... pág. 43 3.2 Análisis de errores ................................................................................................... pág. 45 3.2.1 Errores asociados a la densidad de puntos de control ..................................... pág. 46 3.2.2 Errores asociados a la distribución espacial de los puntos de control ..................................................................................................................... pág. 46 3.3 Validación de los modelos topográficos .................................................................. pág. 49 3.3.1 Adquisición de datos de campo mediante Láser Escáner Terrestre ............... pág. 49 3.3.2 Post-proceso de la información y comparación de la información topográfica ............................................................................................................... pág. 50 4. Resultados ........................................................................................................................ pág. 52 4.1 Obtención de nubes de puntos, ortofotos y modelos topográficos .......................... pág. 53 4.1.1 Nube de puntos: fotogrametría digital automatizada ...................................... pág. 53 4.1.2 Ortofoto de alta resolución ............................................................................. pág. 56 4.1.3 Filtro de la información y generación de modelos 2D .................................... pág. 57 4.2 Análisis de errores ................................................................................................... pág. 59 4.2.1 Efectos de la densidad de puntos de control .................................................. pág. 59 4.2.2 Efectos de la distribución espacial de los puntos de control .......................... pág. 61 4.3 Validación de los modelos a partir de datos obtenidos con Laser Escáner Terrestre ..... pág. 62 4.3.1 Comparación de la nube de puntos en superficies lisas ..................................... pág. 62 4.3.2 Comparación de la nube de puntos en superficies rugosas ................................ pág. 63 5. Aplicabilidad: fotogrametría digital automatizada y geomorfología ........................ pág. 64 6. Conclusiones..................................................................................................................... pág. 69 7. Bibliografía....................................................................................................................... pág. 72 PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 4 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Evolución del número de artículos publicados en revistas indexadas (SCI) por año que contengan las palabras clave geomorfología y SIG o Teledetección en los últimos 20 años. (Fuente: http://apps.webofknowledge.com/) ................................................................................. pág. 12 Figura 2. Relación de técnicas para la obtención de topografía en función de la densidad de observaciones topográficas necesarias para una correcta representación de diferentes formas fluviales asociadas a distintas escalas espaciales (modificado de Brasington et al., 2012). ....... ........................................................................................................................................... pág. 14 Figura 3. Láser Escáner Terrestre y UAV tomando datos en una zona de cárcavas del pirineo aragonés. En el caso del UAV se puede observar la cámara ubicada en la parte inferior. La cámara captura fotografías de manera automática a una frecuencia de 5s. Estas fotografías se utilizan para la obtención de información topográfica mediante la aproximación de SfM. La calidad de los modelos se compara con la información obtenida con TLS (foto tomada por Smith & Vericat -verano 2013en el marco de BadlandScan II; zona de badlands en la proximidades del Pueyo de Araguás: alto Cinca .............................................................. pág. 16 Figura 4. (A) Esquema de localización del tramo de estudio en el Alto Cinca (Pirineo Central, Huesca España). (B) Ortofoto (15/10/2013 y resolución 0.05m) del tramo de estudio de 13km donde se observa la morfología típica de un río de gravas de montaña y (C) perfil longitudinal del alto Cinca desde cabecera hasta el Embalse de Mediano. .......................................... pág. 20 Figura 5. Red de drenaje del Alto Cinca: representación de las subcuencas y ríos principales generados a partir de un área mínima de drenaje de 22 km2. ........................................... pág. 22 Figura 6. (A) Modelo digital de elevaciones y distribución de elevaciones por superficie y (B) Mapa de pendientes (en grados) y distribución por superficie en el Alto Cinca. ............. pág. 23 Figura 7. Fotografía del río Cinqueta (principal tributario del alto cinca por el margen izquierdo). Se observa la alta conectividad de las laderas con el cauce. Significativo aporte sedimentario mediante procesos activos de ladera hacia un cauce de tipo “wandering”, afectado históricamente por actividades mineras (Fecha 16/03/2014, foto de autor) ..................... pág. 24 Figura 8. (A) Cartografía de los usos del suelo en el Alto Cinca. (B) Distribución porcentual. (C) Superficie de los usos de suelo. Fuente datos: Corine Land Cover, 2006. Elaboración propia................................................................................................................................ pág. 25 Figura 9. Cartografía y superficie de la litología del Alto Cinca y fallas. Fuente datos: Centro de información territorial de Aragón (CINTA). Elaboración propia.. ............................ pág. 26 Figura 10. Localización y pluviometría (precipitaciones acumuladas mensuales serie 20002012) de dos estaciones meteorológicas del alto Cinca (Datos climáticos: SAIH; elaboración propia).. ............................................................................................................................ pág. 27 Figura 11. Localización de la estación de aforos EA-51 en la ortofoto del tramo de estudio (izquierda, sección en línea roja). Esquema en planta de la sección transversal de la estación de aforos (derecha). Fuente: SAIH-CHE.. ............................................................................ pág. 28 Figura 12. Esquema de la red de Centrales Hidroeléctricas, Presas, Azudes y Galerías de conexión en el Alto Cinca. La CH de Laspuña tiene la salida dentro del tramo de estudio (recuadro rojo) y una capacidad máxima de desagüe de 25 m3/s. Fuente: Acciona.. ....... pág. 29 PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 5 Figura 13. Hidrograma de caudales quinceminutales de la EA-051 para una serie temporal de una semana. Se muestra un ejemplo que diferencia la estructura y magnitudes de una respuesta que genera la Central Hidroeléctrica de Laspuña (recuadro rojo), en comparación con dos crecidas de pequeña magnitud (recuadro negro).. ............................................................ pág. 30 Figura 14. Aportaciones anuales (Hm3) para la serie 1959-1993 (EA-051).. ................. pág. 30 Figura 15. (A) Promedio mensual del Caudal medio mensual y (B) promedio mensual de aportaciones para la serie 1959-1993 (EA-051).. ............................................................. pág. 31 Figura 16. Fotogramas y ortofotos (1927-1977-1997-2013) de unos de los tramos del área de estudio próximos a Aínsa. Se observan marcados cambios morfológicos en este tramo del Cinca, indicando el dinamismo de un río trenzado por distintas perturbaciones de diferente carácter, natural (crecidas) y antrópico (extracciones de áridos y escolleras). El término braiding index se refiere al índice de multiplicidad de canales que se puede expresar como el cociente entre la longitud de los canales y la longitud del cauce principal. A mayor el índice mayor la complejidad de canales a lo largo de la llanura de inundación.. ...................................... pág. 32 Figura 17. Fotografía de un tramo del alto Cinca en las proximidades de Labuerda (foto D. Vericat, verano de 2014). En la fotografía se observa el alto relieve de las barras y la erosión lateral en estas (i.e. incisión del cauce), y una secuencia de rápido-poza característica del tramo ................................................................................................................................ pág. 33 Figura 18. (A, B, C) Ortofotos de 0.1m de resolución generadas a partir de técnicas de fotogrametría digital automatizada. (D, E, F) Fotografías de tomadas en campo durante la actuación. Se observa las modificaciones por fases (morfología y topografía) en la zona afectada entre Diciembre de 2013 y Marzo de 2014 (Escalona, Alto Cinca).. ............................... pág. 35 Figura 19. Flujo de trabajo para la obtención de modelos topográficos del cauce seco mediante fotografía digital automatizada (SfM).. ............................................................................ pág. 39 Figura 20. Errores en la nube de puntos una vez realizada la alineación debido a las alas del autogiro de las imágenes originales... .............................................................................. pág. 41 Figura 21. Generación de la nube de puntos a partir de una alineación en coordenadas locales... ................................................................................................................................ pág. 41 Figura 22. Flujo de trabajo específico correspondiente al proceso de georreferenciación de la nube de puntos en el Agisoft PhotoScan Pro ® 1.0.0 (A) Identificación visual de los puntos de control en cada fotografía. (B) Ajuste del sistema de coordenadas aplicados a los puntos de control (markers). (C) Ubicación de las dianas en una ortofoto de referencia (este simple ejercicio, aunque se base en ortofotos de años anteriores es de gran utilidad para la localización de las dianas en las fotos de nueva adquisición). (D) Visualización de los GCPs en el tramo e importación de las coordenadas... .................................................................................... pág. 42 Figura 23. Ejemplo de color correction en el proceso de generación de una ortofoto a una resolución de 0.05 m. Las diferencias son claras entre la imagen de la izquierda (desactivo) y de la derecha (activado). La mayor corrección de brillo la aplica en elementos estáticos y vegetación (recuadro rojo) ............................................................................................... pág. 43 Figura 24. Diagrama de flujo del algoritmo ToPCAT para la regularización de nube de puntos de manera óptima y rápida (extraído de Brasington et al., 2012)... .................................. pág. 44 PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 6 Figura 25. (A) Análisis de errores asociados a la densidad de los puntos de control para el postproceso. (B) Análisis de errores asociados a la distribución espacial teniendo en cuenta 4 patrones geométricos de estudio... ................................................................................... pág. 48 Figura 26. Metodología del proceso de validación de la nube de puntos topográfica obtenida mediante SfM: (A) adquisición y (B) post-proceso de datos TLS y comparación de valores topográficos. Se considera la información TLS como puntos del terreno reales... .......... pág. 51 Figura 27. Resultados obtenidos a partir de fotografías aéreas digitales aplicando SfM. (A) Nube de puntos topográfica del cauce del tramo de estudio (13 km). Nube de puntos con (A.1.1) baja y (A.1.2) media densidad a escala de tramo y a escala de barra (A.2 y A.2.1). Cabe destacar que las observaciones topográficas se han coloreado a partir de los valores RGB de la fotografía; por este motivo y por la elevada densidad parece que se trata de una fotografía aunque representa la nube de puntos. (A3) Modelo Digital de Elevaciones sin regularización ni filtrado de la información topográfica. (A4) Valores de densidad de las nubes de puntos obtenidas a escala de tramo y de barra. (A5) Errores cuadráticos medios asociados al postprocesado y obtención de la información topográfica. (B) Visualización en varias escalas de la ortofoto generada de altísima resolución (5 cm). Todos los resultados georreferenciados en ETRS 89 HUSO 31N... .................................................................................................... pág. 55 Figura 28. Ejemplo de la información topográfica 3D obtenida a partir de la aplicación de la metodología que se presenta en este trabajo: (A) zona de inicio de tramo de estudio (aguas arriba); puente de Laspuña; y (B) zona final de tramo de estudio (aguas abajo); puente de Ainsa... ............................................................................................................................. pág. 56 Figura 29. (A) Ortofoto a escala de barra en las proximidades del camping Peña Montañesa. (B) Modelo Digital del Terreno (MDT) con una resolución de 0.5 metros generado a partir de los valores de elevación mínima (Zmin) calculados con TopCat (malla de 0.5 x 0.5 metros). (C) Ejemplo de identificación de vegetación automática mediante la aplicación de la desviación estándar modificada (detrended standard deviation). En este caso se ha ampliado la malla de análisis a 1 metro. El modelo inicial se ha reclasificado y tan solo se representan aquellas celdas con desviaciones modificadas superiores a los 20 cm. Se considera que estas celdas representan la vegetación tal y como se observa al comparar su distribución con la ortofoto de (A). Es importante tener en cuenta (i) el área de análisis; que corresponde al polígono que determina el Modelo Digital del Terreno en (B). (ii) No se ha aplicado ningún factor correctivo de refracción para la obtención de la información batimétrica (cauce mojado).... ................................. pág. 58 Figura 30. Distribución de los errores cuadráticos medios de los puntos de control (error de post-proceso o georreferenciación) y de los puntos test o check (calidad o exactitud del modelo). Se parte de un escenario óptimo con 203 GCPs. El último escenario analizado dispone de 20 GCPs para el post-proceso de la información y 183 puntos test. La selección de los puntos se ha realizado de manera aleatoria y a partir de la Split Test Approach (división de los puntos de control; ver metodología).... ........................................................................................ pág. 59 Figura 31. Distribución de los errores cuadráticos medios de las 3 coordenadas (x,y,z) de los puntos de control (error de post-proceso o georreferenciación). Se parte de un escenario óptimo con 203 GCPs. El último escenario analizado dispone de 20 GCPs para el post-proceso de la información y 183 puntos test. La selección de los puntos se ha realizado de manera aleatoria y a partir de la Split Test Approach (división de los puntos de control; ver metodología).....pág. 60 Figura 32. Distribución de los errores cuadráticos medios de los puntos de control (error de post-proceso o georreferenciación) y de los puntos test o check (calidad o exactitud del modelo) en función de los distintos patrones de distribución espacial de los GCPs. Se han utilizado 102 GCPs para el post-proceso y 101 puntos test para el cálculo de la exactitud de los datos topográficos..... ................................................................................................................. pág. 61 PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 7 Figura 33. Curva de frecuencias acumulada de la longitud de los vectores resultantes al comparar observaciones topográficas obtenidas mediante SfM (Obs SfM) y TLS (Obs TLS). Se presentan dos curvas para las dos superficies evaluadas: (i) superficie lisa y (ii) superficie rugosa...... ......................................................................................................................... pág. 63 Figura 34. Información topográfica en superficies de difícil acceso: glaciares. (A) localización del glaciar del Mte Perdido. (B) fotografía del cuerpo glaciar. (C) nube de puntos generada de baja densidad. (D) nube de puntos generada de media densidad (F). Ortofoto (resolución: 0.29 m). Productos obtenidos en coordenadas locales. Fecha imágenes y productos generados: 14/06/2014..... ................................................................................................................... pág. 65 Figura 35. Comparación de Modelos Digitales del Terreno (DoD) en el Alto Cinca (escala de barra, zona del camping Peña Montañesa). Se comparan los modelos obtenidos en junio y octubre de 2013, después de un período con caudales de elevada magnitud y competentes. Se presenta la ortofoto de 5 cm de resolución y el MDT de octubre de 2013 como referencia ................................................................................................................................ .pág 67 PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Características generales del tramo de estudio en la cuenca del Alto Cinca ..... pág. 19 Tabla 2. Características de la estación de aforos EA-51 de la que se han extraído los datos de caudal para el contexto hidrológico del tramo de estudio. Fuente: SAIH-CHE............... pág. 28 Tabla 3. Relación de Q/Periodo de retorno calculado aplicando 3 métodos diferentes y la media. Los cálculos se realizan para la serie (1959-1993) de la EA-051. Fuente: CEDEX.pág. 31 Tabla 4. Características de las imágenes obtenidas, de la cámara de fotos utilizada y altura del vuelo realizado en octubre de 2013. El post-proceso de esta información ha proporcionado información topográfica de elevada densidad .................................................................. pág. 53 PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 9 AGRADECIMIENTOS Cuando llega el momento donde escribes algún tipo de trabajo o documento, en este caso, de investigación, y ves que el resto de trabajos tiene un apartado llamado: agradecimientos, a uno le llama la atención. Todos sabemos que este punto es de los primeros en el que el lector se fija, quizás incluso, antes que el título. Por ello, con toda la sinceridad y humildad escribiré estas palabras a las siguientes personas, agradeciendo: A mis padres y mis hermanos (Tere, Paco, Rebe, Rubi e Rafa, como non). A todos y cada uno de ellos, por criarme, educarme y formarme, con el inmenso esfuerzo y lucha que ello supuso. Moítisimas grazas. A Damià. Escribiría 100 páginas de halagos, no quiero aburrir. Ojalá cada joven investigador tuviese un supervisor o tutor como él. Las cosas van mucho más allá de la valía investigadora. Cuando en este caso, la calidad personal supera a la investigadora, no hay más que decir. Gracies cap, de veritat. A los que formamos parte de MorphSed y RIUS: un equipo de investigación, un grupo de trabajo, un grupo de amigos. Chicas y chicos, gracias por aguantarme todos y cada uno de los días. Sois grandes. Zaragoza, a M.A. Saz por la paciencia y cortesía en todos los cambios que sufrió el rumbo de este PFM. A Juan de la Riva, porque profesores y coordinadores como él están en peligro de extinción. A los amigos y compañeros de licenciatura y Máster, especialmente, Miki y Leyre. Al departamento de Geografía y Ordenación del Territorio en general, por la buena capacidad formativa de la mayoría de sus docentes, y particularmente por haber desarrollado el Máster en Tecnologías de la Información Geográfica para la Ordenación del Territrio: SIG y Teledetección, al que se asocia este proyecto. Santiago de Compostela, aos amigos xeógrafos, por 4 anos inolvidábeis e amizades de por vida. Alumnos y profesores. Chemiña, Horacio, Marcos, Rafa…porque tienen mucha culpa de todo esto. Pontevedra, a mis amigos. Sobre todo, por aguantarme. Graciñas meus. Formalmente, al proyecto MorphSed CGL2012-36394 financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad al que se asocia el trabajo que aquí presento. También al Instituto Aragonés de Ciencias Ambientales de Aragón (IUCAUniversidad de Zaragoza) por el apoyo a los jóvenes que quieren empezar la carrera investigadora mediante sus programa de becas. Por último, a Laura. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 16 Figura 3. Láser Escáner Terrestre y UAV tomando datos en una zona de cárcavas del pirineo aragonés. En el caso del UAV se puede observar la cámara ubicada en la parte inferior. La cámara captura fotografías de manera automática a una frecuencia de 5s. Estas fotografías se utilizan para la obtención de información topográfica mediante la aproximación de SfM. La calidad de los modelos se compara con la información obtenida con TLS (foto tomada por Smith & Vericat -verano 2013en el marco de BadlandScan II; zona de badlands en la proximidades del Pueyo de Araguás: alto Cinca) 1.3. Objetivos del Trabajo Final de Máster El presente trabajo tiene 3 objetivos claramente diferenciables, aunque con estrecha relación entre ellos. (O1) Objetivo 1: desarrollo de un flujo de trabajo para la obtención de una nube de puntos topográfica de elevada densidad (102-104 puntos/m2) aplicando fotogrametría digital automatizada (SfM) a escala quilométrica. La escala de este estudio no tiene apenas referentes hasta el presente (el estudio de Tamminga et al., 2014 se limita a una escala menor a la del presente trabajo). Adicionalmente, la aplicación de este flujo de trabajo también proporciona la generación de ortofotos de elevada resolución (centimétrica). La obtención de datos se realiza en el tramo alto del río Cinca (Pirineo Aragonés). Cabe destacar la elevada aplicabilidad de este flujo de trabajo, ya que permitirá, en el caso del proyecto en el que se enmarca el trabajo, obtener modelos digitales del terreno para desarrollar múltiples subproductos que analicen en profundidad la complejidad morfológica y sedimentaria, en un tramo del río Cinca con elevadas tasas de cambio por la alta frecuencia de perturbaciones de diferente naturaleza: (a) crecidas naturales, (b) extracciones de áridos asociadas a actuaciones en el cauce. (O2) Objetivo 2: análisis crítico de (a) los errores de georreferenciación y (b) de la calidad de la información topográfica resultante mediante la aplicación de SfM (O1). El análisis de errores se basa en el estudio del efecto de la densidad y distribución de la red de puntos de control para el post-proceso de las imágenes (e.g. Vericat et al., 2009). PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 17 (O3) Objetivo 3: validación de la información topográfica resultante a partir de la aplicación de SfM (O1 y O2) mediante la comparación de ésta con la información topográfica obtenida con Láser escáner terrestre (TLS) en 2 tipos de superficie: (a) lisas y (b) rugosas. Por último, cabe destacar que para la descripción del área de estudio en la que se han desarrollado los objetivos descritos anteriormente, se han aplicado numerosas técnicas y metodologías aprendidas durante la realización del máster en Tecnologías de la Información Geográfica para la Ordenación del Territorio: SIG y Teledetección De esta forma, este trabajo también contiene un objetivo de revisión y aplicación para el aprovechamiento de los conocimientos adquiridos durante la realización del master. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 18 2. ÁREA DE ESTUDIO PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 19 2.1 El tramo alto del río Cinca: particularidades y oportunidades El Alto Cinca se sitúa en el Pirineo Central, provincia de Huesca, España. La cuenca del Cinca tiene una superficie de 863 km2 (excluyendo la del río Ara) y la longitud del cauce desde la cabecera, en la cara N del Monte Perdido (3.355 msnm) hasta la confluencia con el río Ara, (cola del embalse de Mediano; 520 msnm) es de 65 km aproximadamente (Figura 4 y Tabla 1). El perfil longitudinal (Figura 4C) señala un fuerte gradiente altitudinal, con un desnivel aproximado de 2800 m en tan sólo 65 km, con una pendiente media de 4 % (40 % en los 5 primeros km, donde salva la mayor parte del desnivel). Es un perfil longitudinal tipo de ríos de montaña alpinos, modelados en sus cabeceras por relieves glaciares del Pleistoceno, morfologías tipo del glaciarismo alpino, con glaciares y circos (actuales) colgados por encima de los 2500 msnm, que los sistemas fluviales salvan con torrentes y cascadas hasta el comienzo de los valles glaciares de fondo plano, modelados por los episodios glaciares de mayor importancia y extensión (i.e. Riss, Würm, 220 y 80 k.a-BP.). Estos relieves, que se encuentran a partir de los 1200 msnm, se delimitan por numerosos picos y cordilleras que sobrepasan los 3000 msnm (Monte Perdido, La Munia, Bachimalas, Posests, Cotiella) y sus laderas se comportan como áreas fuente de sedimento. En la mayoría de los casos este sedimento es till glaciar (i.e. sedimentos heterométricos erosionados, transportados y sedimentados por los glaciares en episodios pasados), y sedimentos expuestos por diferentes procesos crionivales, heterométricos y angulosos, que son, en la mayoría de los casos, transportados a los cauces (llanura de inundación, cauces activos) por (a) procesos gravitacionales de vertiente (e.g. desprendimientos, deslizamientos, flujos de derrubios), (b) por procesos nivales (e.g. aludes) o (c) fluviales en eventos competentes (e.g. avenidas de los torrentes en episodios de deshielo, tormentas de tipo convectivo y precipitaciones de tipo advectivo asociadas a frentes). El segundo sector del tramo, donde disminuye claramente la pendiente, se comporta como la zona receptora de sedimento. La carga sedimentaria en este tramo del río Cinca es importante, con gran extensión del área fuente de sedimento, y donde los procesos citados son todavía activos en la actualidad. En eventos competentes el sedimento se transporta aguas abajo de manera continua, determinando, de forma general, la morfología del cauce (Schumm, 1977). Se observan elevadas tasas de sedimentación en zonas donde el flujo disipa energía, creando unidades morfológicas activas como las barras fluviales, o en áreas sumidero, generando, en algunos casos, problemas socioeconómicos y ecológicos en, por ejemplo, embales y azudes (e.g. cola embalse de Mediano). Es en este tramo donde se localiza el área de estudio (13 km de río entre Aínsa y Escalona; ver Tabla 1 y Figura 4B para más detalles). Tabla 1. Características generales del tramo de estudio en la cuenca del Alto Cinca. CARACTERÍSTICAS LA CUENCA DEL ALTO CINCA Cuenca Cinca Area (km2) 863 (Cinca hasta Aínsa) Principal tributario de la Cuenca Río Ara (649 km2) TRAMO DE ESTUDIO Longitud del tramo (km) Principales tributarios del tramo de estudio Ríos Bellós y Barranco de San Vicente PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 20 Figura 4. (A) Esquema de localización del tramo de estudio en el Alto Cinca (Pirineo Central, Huesca, España). (B) Ortofoto (15/10/2013 y resolución 0.05 m) del tramo de estudio de 13 km donde se observa la morfología típica de un río de gravas de montaña y (C) perfil longitudinal del alto Cinca desde cabecera hasta el Embalse de Mediano. Los cambios morfológicos en el cauce en el Cinca se estiman que tienen una elevada frecuencia, con transporte de sedimentos (i.e. sedimento fino en suspensión, carga de fondo) ocasionados por episodios de crecida donde la energía es suficiente como para causar movilidad de los sedimentos. Existen estudios concretos en el tramo de estudio (Beguería et al., 2006) que afirman una pérdida sensible de producción de sedimentos y caudal en el último siglo, siendo el principal responsable, el cambio en los usos de suelo en la cuenca. Estos cambios se atribuyen a una mayor superficie forestal, en detrimento del uso agrícola (suponiendo menores tasas de escorrentía superficial), fenómenos extensibles al resto de cuencas fluviales del Pirineo (GarciaA B C PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 21 Ruiz & Valero-Garcés, 1998), y en general, en las principales cordilleras europeas que han experimentado un fuerte éxodo rural durante el siglo XX. Los estudios previos, (Beguería et al., 2006) en el alto Cinca se han basado en una cartografía geomorfológica en planta a partir de fotointerpretación de fotogramas históricos (1929-1981). La disminución de caudales y producción de sedimento, han ocasionado un cambio en la morfología del tramo de estudio (ver apartado 2.2.7), pasando de ser una morfología trenzada (con dominio de migración de canales y barras en el plano horizontal del cauce) a una tendencia de estabilidad dominada por procesos de incisión. Estos cambios están también determinados por la construcción de motas laterales y las numerosas extracciones de áridos que se han llevado a cabo históricamente (Figura 16 y Figura 18). Por tanto, tal y como se puede ver en una primera descripción del tramo de estudio, el Alto Cinca ofrece una gran oportunidad para cuantificar, a partir de modelos topográficos que aportan información 3D, la evolución morfológica del cauce (erosión-sedimentación) entre eventos competentes (i.e. que causen modificaciones en el lecho) para entender, a partir de información topográfica muy precisa, cómo funciona el sistema (trabajo) y la relación entre la entrada de energía (hidráulica), la capacidad del río (carga sedimentaria), la dinámica morfológica, y los efectos de las extracciones de áridos sobre ésta. 2.2 El Alto Cinca: análisis SIG para su caracterización Se presenta a continuación cartografía del Alto Cinca con el objetivo de caracterizar de manera específica el tramo de estudio a partir del cálculo de distintas variables mediante herramientas SIG desarrolladas durante la realización del Máster en Tecnologías de la Información Geográfica para la Ordenación del Territorio: SIG y Teledetección . 2.2.1 Red de drenaje A partir del MDT de 5 metros de resolución del CNIG (Centro Nacional de Información Geográfica), se han generado y procesado todas las capas ráster necesarias para obtener la red hidrográfica de la cuenca mediante la herramienta Arc Hidro Tools (@Arcmap 10.1). Esta cartografía mejora la cartografía espacial que ofrecen los organismos oficiales (e.g. CHE, Confederación Hidrográfica del Ebro) al haber utilizado un MDT de mayor resolución, (5 m en lugar de 25 m). La superficie total de la cuenca (Ara y Cinca) hasta el punto de drenaje ubicado a la cola del embalse de Mediano es de 1511.63 km2. Se han obtenido un total de 30 subcuencas de superficie mayor de 22 km2. El área minima para establecer la modelización de cuencas no ha seguido ningún patrón o norma establecida. Ha sido delimitado por el autor para identificar una densidad intermedia de subcuencas y ríos dentro de la cuenca. De la mima forma, se han identificado un total de 20 tramos fluviales. En la subcuenca del Ara los principales son el Ara (con una longitud de 65.76 km), y su principal tributario, el Arazas (9.25 km). En la subcuenca del Cinca, el Cinca (65.3 km), y sus principales tributarios: Cinqueta (27.36 km) y Barrosa (9.56 km) en cabecera; y Bellos (18.36 km) y San Vicente (12.37 km) por el margen derecho, dentro del tramo de estudio en la parte baja (Figura 5). En todos los casos los perfiles longitudinales son muy similares al del Cinca, con fuertes pendientes en sus cabeceras hasta llegar a los fondos de valle y a sus tributarios. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 22 Figura 5. Red de drenaje del Alto Cinca: representación de las subcuencas y ríos principales generados a partir de un área mínima de drenaje de 22 km2. 2.2.2 Análisis del relieve La elevación máxima de toda la cuenca alta es de 3355 msnm (Monte Perdido) y la elevación mínima es de 521 msnm (cola del embalse de Mediano), lo que supone un desnivel de 2834 metros (coincidentes con el río Cinca). La elevación media es de 1937 m, y 1345 msnm es la altitud que mayor superficie abarca (Figura 6A). En la parte septentrional de la cuenca se localizan los relieves más elevados (dirección transversal), que ocupan un 23.9 % de la superficie total (por encima de los 2000 msnm). El 76.1 % de superficie restante se encuentra entre los 521 y los 2000 msnm, localizada en los fondos de valle de las cabeceras fluviales principales, y en la parte intermedia y meridional de la cuenca. Los ríos principales forman valles con dirección longitudinal (Norte-Sur) más o menos definida, mientras que los tributarios conforman valles transversales por ambas márgenes. La distribución del relieve, y por ello, la dirección de los valles y cauces está muy determinada por la tectónica y el contexto geológico estructural (Figura 9). 0 5 102.5 Km ± PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 23 Figura 6. (A) Modelo digital de elevaciones y distribución de elevaciones por superficie y (B) Mapa de pendientes (en grados) y distribución por superficie en el Alto Cinca. La pendiente, es un parámetro del relieve que ayuda mucho más a entender cómo puede funcionar geomorfológicamente una cuenca, siendo el factor modelador principal. La pendiente media es muy elevada (44.88 º), y el 88.8 % de la superficie está entre 10.1 y 60 º, lo cual demuestra que es una cuenca muy abrupta (carácter torrencial). Esto supone que la gran superficie está expuesta a poder transportar el sedimento que se erosiona en las áreas fuente hacia los cauces fluviales (como se observa en la foto de la figura 7). Además, las superficies con elevada pendiente están distribuidas espacialmente por toda la cuenca (no sólo en la zona septentrional, zonas más elevadas). Por ello, la morfología de los cauces principales hacia el exutorio de cuenca es muy diferente con respecto de las cabeceras. Los valles principales se ensanchan y pierden pendiente (menos capacidad erosiva), pero el aporte de sedimentos e hidráulica de los tributarios sigue siendo elevado, tendiendo hacia morfologías trenzadas, con numerosas barras y canales activos en el cauce y mayor equilibrio entre el balance erosiónsedimentación. ± 010 205Km 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Elevación (msnm) 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 0-10.0 10.1-30 30.1-60 60.1-87 Pendiente (en grados) A B Superficie (km2) Superficie (km2) PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 24 Figura 7. Fotografía del río Cinqueta (principal tributario del alto cinca por el margen izquierdo). Se observa la alta conectividad de las laderas con el cauce. Significativo aporte sedimentario mediante procesos activos de ladera hacia un cauce de tipo “wandering”, afectado históricamente por actividades mineras (Fecha 16/03/2014, foto de autor). 2.2.3 Usos del suelo Los usos del suelo de un territorio, posiblemente sea la variable que más condiciona el paisaje, comprendiendo dentro de él, los procesos naturales y el control que puede ejercer sobre las formas del relieve en su conjunto. Por ello, la superficie y la evolución histórica de los aprovechamientos y usos del suelo controlan y han controlado, en las cuencas pirenaicas, los regímenes hídricos y la tipología de valles y cauces fluviales (e.g. Gallart & Llorens 2004, Beguería et al., 2006). La figura 8 presenta la distribución espacial de la cobertura de usos del suelo siguiendo la información facilitada por el programa estatal Corine Land Cover (CLC; obtenida del IGNCNIG) del año 2006, a una escala de 1:100.000. Las coberturas que se representan cartográficamente corresponden al tercer orden jerárquico del CLC, y la leyenda sigue la gama de colores oficiales RGB del CLC. A partir de la información espacial de usos del suelo, se ha hecho un breve análisis que compara la ocupación espacial por coberturas en la cuenca (suma de 9 tipos de cobertura). La vegetación ocupa en su conjunto un 84.32 %, lo que corresponde a 1274.59 km2. Las zonas de roquedo, glaciares y sistemas fluviales un 13.09 % (197.80 km2). Las zonas agrícolas un 2.19 % (33.09 km2). Las zonas mixtas un 0.32 % (4.93 km2) y el tejido urbano un 0.15 % (0.08 km2). Estos resultados muestran como la cuenca en su conjunto está muy forestada, dominio muy predominante sobre el resto de coberturas. Se distribuye por la mayor parte de la cuenca, y su límite superior del bosque (timberline) puede alcanzar los 2500 msnm. En la actualidad, la vegetación sigue ganando superficie en detrimento de los usos agrarios y ganaderos (tan solo un 2.19 %), siendo una variable que directamente, ha implicado cambios históricos en el último medio siglo en la morfología del tramo de estudio en el río Cinca. Las zonas donde predominan el roquedo y las formaciones geomorfológicas (glaciares, de ladera, etc.) son la segunda cobertura con mayor superficie espacial, importante de nuevo, para destacar la presencia de áreas fuentes de sedimento para aportar a los cauces en una cuenca altamente montañosa, con fuertes pendientes, como se ha podido ver en el punto anterior. La presión demográfica en toda la cuenca es mínima, con pocos enclaves de población, muy repartidos en pequeños núcleos por la mayoría de los valles (1.15 % de la superficie). Los núcleos de población más importantes son Boltaña y Aínsa, localizados en la parte más PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 25 meridional. La población total de la comarca del Sobrarbe es de 7790 habitantes (2011), lo que supone una densidad de 3.51 hab/km². Figura 8. (A) Catorgrafía de los usos del suelo en el Alto Cinca. (B) Distribución porcentual. (C) Superficie de los usos de suelo. Fuente datos: Corine Land Cover, 2006. Elaboración propia. 2.2.4 Geología Para ofrecer una información litológica simplificada, se ha llevado una reclasificación y agrupación del campo de litología (Fuente: CINTA-SITAR). El resultado es una cartografía geológico-litológica (litología y fallas) que ayuda a contextualizar la cuenca (Figura 9). A B C 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Superficie (km2) A C PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 32 2.2.7 Dinámica morfológica e impactos El tramo alto del río Cinca se caracteriza por ser un sistema fluvial con elevadas tasas de cambio morfológicos, tanto históricas como actuales (e.g. Rubio, 1995). La elevada frecuencia de eventos de crecidas o los impactos antrópicos han modificado y modifican los patrones morfológicos del cauce. 2.2.7.1 Morfodinámica El tramo alto del Cinca se ha caracterizado históricamente por una morfología de tipo trenzado o braided (Figura 16, fotograma 1927), con formación de numerosos canales debido a las elevadas tasas anuales de cambio, asociadas a frecuentes eventos de crecidas de alto aporte sedimentario. Esta tipología es frecuente en ríos de montaña, con pendientes moderados, gran superficie de drenaje y de elevado aporte sedimentario. Esta morfología también puede ser observada en otros ríos de similares características de la cordillera pirenaica (e.g. tramos altos de los ríos Ara y Aragón). Figura 16. Fotogramas y ortofotos (1927-1977-1997-2013) de unos de los tramos del área de estudio próximos a Aínsa. Se observan marcados cambios morfológicos en este tramo del Cinca, indicando el dinamismo de un río trenzado por distintas perturbaciones de diferente carácter, natural (crecidas) y antrópico (extracciones de áridos y escolleras). El término braiding index se refiere al índice de multiplicidad de canales que se puede expresar como el cociente entre la longitud de los canales y la longitud del cauce principal. A mayor el índice mayor la complejidad de canales a lo largo de la llanura de inundación. 1 9 2 7 1 9 7 7 1 9 9 7 2 0 1 3 Dirección del flujo + ÍNDICE BRAIDED - + IMPACTOS ANTRÓPICOS + FRECUENCIA DE CRECIDAS Crecida 1982 (1800 m3/s) Construcción de motas laterales PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 33 De manera general, la evolución morfológica del cauce en el siglo pasado se puede dividir en dos fases muy marcadas, delimitadas por un punto de inflexión en la década de los 70-80. En la primera fase, hasta la década de los 70 del siglo XX (ver fotogramas 1927 y 1977 en la Figura 16) el cauce tiene un índice elevado de multiplicidad de canales (braiding index), caracterizado por muchos canales activos a lo ancho del cauce y numerosas barras activas (e.g. barras laterales, centrales, transversales y diagonales) poco vegetadas, asociadas a un marcado dinamismo sedimentario. La vegetación de ribera es de poca densidad y se concentra en las márgenes de la llanura de inundación, junto con campos de cultivo en el margen izquierdo. En conclusión, patrón morfológico tipo donde domina una alta frecuencia de eventos de competencia que provocan la movilidad del cauce. La segunda fase, desde los años 80 del siglo XX hasta la actualidad, es un periodo en el que el patrón morfológico está claramente modificado o condicionado por el hombre con una marcada tendencia hacia la estabilidad. Esto supone una disminución de la migración de los canales y barras. La densidad de canales es ahora mucho menor, y se acentúa el gradiente erosivo vertical (i.e. incisión), el sistema fluvial obliga a reajustar los desequilibrios de pendiente modificando el perfil longitudinal hacia un patrón de tipo wandering con secuencias de rápidos y pozas (Figura 16). La densidad de barras sedimentarias desnudas (sin vegetación) disminuye drásticamente, del 69.9 % en 1929 al 29.6 % en 1981 (Beguería et al., 2006). Estos cambios morfológicos vienen determinados por dos componentes principales: (a) la disminución en la frecuencia de crecidas, por un menor aporte hídrico en todas las cuencas pirenaicas, en estrecha relación con las modificaciones en los usos de suelo y con la dinámica demográfica rural (e.g. García Ruíz et al., 1998; Beguería et al., 2006;), y quizás mayoritariamente, (b) por el aumento de los impactos antrópicos en el cauce (e.g. construcción de motas en márgenes, extracciones de áridos, etc.). En este último caso, tal y como muestra la figura 16, posteriori a la crecida de noviembre de 1982 (1800 m3/s), se construyó una mota en ambas márgenes del cauce para proteger zonas urbanas y cultivos próximos, estrechando casi a la mitad el cauce activo cercano a la zona de Aínsa, con un efecto directo sobre la morfología a corto y largo plazo (Rubio, 1995). En el siguiente apartado se describen de manera más detallada los principales impactos antrópicos en el tramo de estudio. Figura 17. Fotografía de un tramo del alto Cinca en las proximidades de Labuerda (foto D. Vericat, verano de 2014). En la fotografía se observa el alto relieve de las barras y la erosión lateral en estas (i.e. incisión del cauce), y una secuencia de rápido-poza característica del tramo. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 34 2.2.7.2 Impactos antrópicos Aunque son numerosos los impactos antrópicos a escala de cuenca tal y como se ha descrito anteriormente, a escala de tramo, con un efecto puntual pero con una propagación de este aguas arriba y abajo, las extracciones de áridos, se pueden considerar como el principal impacto sobre la dinámica morfo-sedimentaria del tramo del Alto Cinca (ver Figura 18). En la actualidad, se convierten en el principal fenómeno modificador de la morfología y topografía del cauce. Actualmente no se realizan extracciones de áridos sin estar relacionadas, o tener implicación directa con actuaciones de mejora del cauce promovidas por la administración pública (e.g. protección inundaciones, mejora infraestructuras). Un ejemplo actual (Figura 18) de actuaciones antrópicas en el tramo de estudio, es la que se llevó a cabo durante un período aproximado de 5 meses en la localidad de Escalona (Huesca, España). Esta tipología de actuaciones se basa en la modificación del curso de los canales, con el objetivo de modificar las zonas de erosión-sedimentación en caso de que existan áreas potencialmente vulnerables (e.g. en el caso de este ejemplo la zona de jardines-ocio localizado en el margen derecho). Tal y como se observa en la figura, el impacto morfológico es significativo. En la mayoría de los casos, las actuaciones se basan en un estrechamiento de la anchura del canal, favoreciendo procesos de incisión vertical. A posteriori, en eventos de crecida el cauce reequilibra los puntos de ruptura de pendiente generando una migración de éste aguas arriba (incisión) y sedimentación aguas abajo (Kondolf, 1994; Batalla, 2003). En todo caso, estas actuaciones, normalmente, también suponen una extracción de material sedimentario del lecho, sin reposición o redistribución. La aplicación de SfM para el desarrollo de modelos topográficos antes de estas actuaciones puede ser de gran interés para la administración. Además de los modelos, el flujo de trabajo que se presenta aquí permite la adquisición de ortofotos de elevada resolución. Estos modelos pueden ser determinantes para la modelización hidráulica de posibles diseños (proyectos) para una correcta selección en función de las particularidades de cada caso. Además, la rapidez en la adquisición de datos puede favorecer la obtención de modelos posteriores para la cuantificación de los volúmenes extraídos y para el control del re-ajuste del cauce a la perturbación (incisión-sedimentación). Todo ello conlleva una mejor planificación y gestión de los sistemas fluviales. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 35 Figura 18. (A, B, C) Ortofotos de 0.1m de resolución generadas a partir de técnicas de fotogrametría digital automatizada. (D, E, F) Fotografías de tomadas en campo durante la actuación. Se observa las modificaciones por fases (morfología y topografía) en la zona afectada entre Diciembre de 2013 y Marzo de 2014 (Escalona, Alto Cinca). (A) (B) (C) (D) (E) (F) PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 36 3. METODOLOGÍA Y DISEÑO EXPERIMENTAL PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 37 En este apartado se presenta el flujo de trabajo desarrollado para la adquisición de información topográfica a partir de técnicas de fotogrametría digital automatizada. Este primero apartado está directamente asociado al objetivo 1 del trabajo. Posteriormente, se describe la metodología asociada al análisis de errores en la información topográfica obtenida (Objetivo 2) y la validación (Objetivo 3) de los modelos mediante la comparación de éstos con los datos obtenidos con técnicas de mayor precisión (i.e. Láser Escáner Terrestre). 3.1 Obtención de datos topográficos a escala de tramo La metodología para obtener topografía a partir de SfM dispone de fases de (a) aplicación general (e.g. post-procesado) y (b) fases específicas que están relacionadas con la tipología de superficie a caracterizar y la escala de análisis (e.g. número de puntos de control y tamaño de éstos). A continuación se presenta el diseño metodológico desarrollado, aplicado y validado (i.e. flujo de trabajo) para obtener los resultados relacionados con el objetivo 1 del presente trabajo. 3.1.1 Diseño experimental y adquisición de datos El diseño experimental (Figura 19A) es quizás, el apartado de mayor importancia para una correcta aplicación de la técnica en función del objeto de estudio. Para un correcto diseño experimental es necesario una serie de visitas de campo para reconocer algunas características de las superficies que queremos estudiar (variabilidad topográfica, acceso para el establecimiento puntos de control, posibilidades para la toma de fotografías, etc.). Una vez obtenidas estas observaciones y en base al objeto de estudio y la resolución mínima necesaria para caracterizar la unidad a analizar, el usuario debe resolver una serie de preguntas fundamentales para la finalización del diseño experimental: (1) A que distancia máxima del objeto a representar se pueden tomar las fotografías? Esta pregunta requiere tener claro dos aspectos fundamentales: (i) cuál es la resolución mínima necesaria para nuestro estudio? (ii) Cuál es el medio que se utilizará para la toma de fotos? (2) Es la óptica de la cámara que utilizamos un elemento determinante de la pregunta anterior? De las cámaras que disponemos, cuál es la que proporciona mayores resoluciones a mayores distancias entre la posición de la toma de fotos y las unidades a analizar? (3) Relacionado con (1) y (2), cuál es la tipología de puntos de control (o dianas, de aquí en adelante GCP) adecuada, que facilite su posicionamiento en campo y su posterior localización en las fotografías para el post-proceso? debemos utilizar en función de criterios de visualización/coste económico/coste temporal en la colocación de la red de control sobre el tramo de estudio. En el caso específico de este estudio, se consideró que era necesario obtener fotografías a una resolución mínima de 5 cm/pixel. Se determinó esta resolución en base a la variabilidad granulométrica del cauce del tramo de estudio. Aunque se disponía de UAV no tripulado, se decidió tomar las fotografías mediante un autogiro tripulado para el aumento de la escala espacial (y gracias a la disponibilidad en el área de estudio a un coste relativamente bajo), hecho que evidencia la importancia de las visitas de campo anteriores al inicio del diseño experimental. Posteriormente, se realizaron una serie de pruebas de laboratorio para la finalización del diseño experimental. En cuanto a las cámaras fotográficas disponibles, se PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 38 testearon 2 de tipo compactas (i.e. RICOH ®, BENQ®) y 2 cámaras tipo réflex (i.e. NIKON3000 ® y NIKON 3100 ®). La finalidad del test es obtener un modelo que relacione la distancia y el tamaño píxel para cada una de las 4 cámaras (Figura 19, A.3). Para este estudio se hicieron una serie medidas sobre los puntos de control (dianas) ubicados de manera vertical (Figura 19, A.1). Se estacionó una Estación Total Topográfica Leica TCRP 1205 de reflexión directa en un total de 9 ocasiones a lo largo de un vector longitudinal de 300 m. Al mismo momento, en cada uno de los 9 puntos de estacionamiento, se tomaron las fotografías con las 4 cámaras. Esta información permitió obtener la resolución de cada fotografía obtenida en cada una de las 9 posiciones de toma/estacionamiento. Tal y como se observa en la figura 19, A.3, la cámara réflex NIKON3100 ® posee el modelo más óptimo, y fue por tanto, la elegida para la toma de fotos. De manera específica, la altura de vuelo necesaria para garantizar una resolución mayor a los 5cm/pixel para esta cámara es de 275 metros. Por último, se testearon un total de 4 tipos de puntos de control (Figura 19, A.1) según criterios de forma, tamaño y color. Los resultados más óptimos fueron los obtenidos para la tipología de GCP que se muestra en A.2 (Figura 19). PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 39 DISEÑO DE TRABAJO Y METODOLÓGICO PARA LA OBTENCIÓN DE TOPOGRAFÍA MEDIANTE SfM (O1) , A. DISEÑO EXPERIMENTAL B. ADQUISICIÓN DE DATOS C. POSTPROCESADOGABINETE A.1: Test de cámaras y puntos de control (tamaño, visualización óptima GCPs) 0 1 2 3 4 5 6 0100 200 300 Resolution (cm/pixel) Distance (m) NK3000 NK3100 RICOH BENQ A.2: Selección de punto de diana óptima A.3. Obtención de altura óptima vuelo para garantizar resolución de 5cm/pixel. Basado en A.1 (tipo de cámara/punto de control) B.1: Localización de 220 puntos de control distribuidos por el tramo de 13km. (distribución siguiendo criterios Vericat et al., 2009) Coste: 2 personas/2 días220 GCPs con 2 GPS diferencial Leica VIVA® GS15 en RTK (Real Time Kinematic). B.2: Obtención de fotografías aereas (cámara Nikon 3100 ®) usando un autogiro biplaza tripulado. Coste: 1hora/4 pasadas de vuelo/1800 imágenes. C.1 Agisoft PhotoScan Pro ® 10.0 C.2 ToPCAT C.1.2 C.1.1 C.1.3 C.1.1. Orientación de fotografías e identificación de puntos comunes. C.1.2. Georreferenciación: identificación de puntos de control y colocación de coordenadas (B.1) C.1.3. Obtención de nube de puntos densa georreferenciada (ETRS 89 HUSO 31-N) C.2. Los datos topográficos se filtran a múltiples escalas por medio de TopCat (Brasington et al., 2012), con el fin de eliminar la vegetación, para obtener estimaciones del nivel del suelo distribuidas espacialmente de la misma forma (elevación mínima) y para derivar la complejidad topográfica dentro de cada celda de la cuadrícula (estimación rugosidad). Figura 19. Flujo de trabajo para la obtención de modelos topográficos del cauce seco mediante fotografía digital automatizada (SfM). PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 40 La adquisición de datos (Figura 19 B) en campo supone la segunda fase en el flujo de trabajo que hemos desarrollado. El trabajo de campo se divide en dos componentes principales: (a) la disposición de la red de puntos de control a lo largo del tramo de estudio (elemento determinante para el objetivo 2 de este estudio), y (b) la obtención de fotografías aéreas a partir de las cuales se obtendrá la nube de puntos topográfica mediante un autogiro tripulado (Figura 19, B.1 y B.2) Para un correcto desarrollo del objetivo 2, ha sido necesaria la utilización de una elevada densidad de puntos de control. La distribución espacial de los GCPs se caracteriza por un patrón equidistante de secciones transversales al cauce abarcando la longitud del tramo (siguiendo criterios de distribución de Vericat et al., 2009). Se ubicaron un total de 220 puntos de control usando 2 dGPS Leica Viva GS15® RTK (del inglés; Real Time Kinematic) con corrección vía GPRS utilizando las estaciones de referencia del SITAR. La calidad 3D (x,y,z) de las coordenadas de los GCPs se ubica entre 1 y 5 cm. Para la localización y toma de las coordenadas de los GCPs son necesarias 2 personas durante 2 días. El coste económico depende de la disposición del instrumental topográfico. También se debe tener en cuenta la viabilidad de establecer una red de puntos de control según la complejidad del relieve de la zona (accesibilidad). Por último, la obtención de fotografías aéreas (B2) tiene un coste temporal/económico mucho menor que el establecimiento de la red de control (1800 imágenes en 1 hora/2 personas –incluyendo piloto autogiro). La toma de fotografías sobre el cauce se obtiene volando con autogiro tripulado biplaza (empresa Girolibre, Aínsa, Huesca). El coste depende de la extensión del tramo (horas vuelo). Se realizaron un total de 4 pasadas desde aguas abajo hacia aguas arriba con alturas medias próximas a los 250 m sobre el río, con el fin de que garantizasen una cobertura (anchura/longitud del cauce) y solape entre fotografías suficiente a la resolución establecida (esencial para aplicar SfM, basado en la extracción de puntos 3D a partir de la identificación de pares comunes de puntos entre imágenes (i.e. Javernick et al., 2014). 3.1.2 Post-procesado: aplicación de técnicas de fotogrametría digital automatizada Esta fase (Figura 19, C) corresponde con el apartado del procesado de los datos previamente adquiridos en campo (fotografías y red de puntos de control). Se basa en la aplicación de un software fotogramétrico Agisoft PhotoScan Pro ® 1.0.0 (licencia de pago, tipo educacional), en la actualidad, de gran uso debido a su reducido coste para fines educacionales y para la investigación. A continuación, se explica el flujo de trabajo realizado para la obtención de (a) nubes de puntos topográficos georreferenciadas y (b) ortofotos de alta resolución. La primera fase (Figura 19, C.1.1) consiste en la importación de fotografías y el primer paso de post-procesado: orientación y alineación de las imágenes. Como se cita en el apartado anterior, es imprescindible tener 3 fotografías a distintos ángulos de la misma superficie, para así poder generar la alineación, que supondrá la creación de la nube de puntos a partir de las diferencias de textura. Las características de las fotos originales, a partir de las que obtenemos la nube de puntos, en ocasiones deben ser editadas para eliminar algunos elementos exteriores (e.g. en el caso de este estudio las alas del autogiro; Figura 20). Otras características de las imágenes (i.e. ángulo de incidencia, ruido por vibraciones) podrían tener una influencia en la identificación de texturas, aunque el propio software aplica filtros correctivos automáticos (Agisoft, 2013). PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 41 Figura 20. Errores en la nube de puntos una vez realizada la alineación debido a las alas del autogiro de las imágenes originales. En la primera fase de alineación (Workflow  Align) existen 2 opciones, en función de que se tengan o no las coordenadas de la cámara desde las cuales se han tomado las fotografías. En este caso (cámara fotográfica sin GPS) se genera una alineación sin coordenadas, obteniendo un primer modelo de nube de puntos un sistema de coordenadas locales (Figura 21). Este proceso, dependiendo del número de imágenes y la potencia del procesador, puede tardar mucho tiempo (e.g: 36 horas con 320 imágenes 5cm/px de resolución y una RAM de 8Gb para el ordenador). Figura 21. Generación de la nube de puntos a partir de una alineación en coordenadas locales. La segunda fase (Figura 19, C.1.2) sirve para georreferenciar la nube de puntos creada a partir de la red de control (GCPs) ubicada en el tramo de estudio. Dentro de la fase de georreferenciación existe una serie de parámetros que debemos definir: (a) ajustes de los parámetros para los puntos de control (i.e. sistema de coordenadas, en nuestro caso, siempre el oficial ERTS 89 Huso 31Norte, aunque la zona de estudio está en el límite entre los husos 30 y 31). (b) localización de las markers (i.e. dianas) por fotografías (Figura 22D). Estas dianas son los GCPs ubicados en campo (tamaño 22x22cm), de los cuales tenemos coordenadas muy Errores en la nube de puntos PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 48 , A. DENSIDAD DE GCPs Post-proceso 90% Post-proceso 80% Post-proceso 70% Post-proceso 60% . . . . . vuelo oct 3er PATH ANÁLISIS DE ERRORES SECCIONES TRANSVERSALES ZIG ZAG AGRUPACIONES 0 1 2 km PERIMETRAL ± B. PATRONES DE DISTRIBUCIÓN ESPACIAL Test 90% (n= 183) Tranning10% (n= 20 Test 50% (n= 102 Post-proceso 50% (n= 101 ± 0 1.5 3 Km Test 10% Test 20% Test 30% Test 40% . . . . . Fragmentación de los 203 GCPs en intervalos de 10% Test 10% (n= 20 Post-proceso 90% (n=183 Figura 25. (A) Análisis de errores asociados a la densidad de los puntos de control para el post-proceso. (B) Análisis de errores asociados a la distribución espacial teniendo en cuenta 4 patrones geométricos de estudio. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 49 3.3 Validación de los modelos topográficos En este apartado se presenta la metodología asociada al Objetivo 3 (O3) con la finalidad de validar la calidad de los datos obtenidos mediante SfM. De manera específica, la información topográfica obtenida mediante la metodología que se ha descrito en este trabajo (Objetivo 1) ha sido validada con información topográfica de elevada precisión obtenida con Láser Escáner Terrestre (TLS). Este análisis se ha realizado mediante la delimitación de una zona de control en la parte superior del tramo (puente de Laspuña). Aunque un correcto análisis de validación requeriría una mayor extensión del tramo a comparar o una mayor representatividad de la extensión a lo largo del área de estudio, se trata de un ejercicio preliminar para un análisis crítico del método que se presenta en este proyecto. Esto ha propiciado que el estudiante haya aplicado nuevos métodos y se haya familiarizado con datos relacionados con la temática del máster que ha realizado. A continuación se presentan las fases y particularidades que conlleva este análisis. 3.3.1 Adquisición de datos de campo mediante Láser Escáner Terrestre En la figura 26A se muestra el flujo de trabajo para la adquisición de datos de campo con TLS. Antes de desarrollar el flujo de trabajo que se aplicó en este estudio es necesario explicar los detalles de la superficie seleccionada para realizar este análisis. La delimitación del tramo de control se realizó en base a dos criterios: (a) la disponibilidad de un puente que garantizaba (i) un mayor ángulo de incidencia del láser en el momento de toma de datos a las secciones fluviales, factor determinante para una mayor densidad de observaciones con un mínimo de estacionamientos; y (ii) la aparición de superficies llanas en los escáneres (asfalto del puente). Por último, el tramo elegido también disponía de (b) una sección de roca madre altamente variable a nivel topográfico que propiciaba una zona de gran interés a comparar. Así, la comparación entre la información topográfica obtenida con SfM y TLS se separó en base a las características topográficas de ambas zonas: se ha realizado una validación de SfM para superficies llanas (i.e. puente) y para superficies rugosas (i.e. roca madre en el margen izquierdo; ver las dos zonas de análisis en la ortofoto de la figura 26, A.3. Para la adquisición de los datos con TLS se ha utilizado un escáner terrestre de corto alcance modelo Leica ScanStation C10©. Los datos se obtuvieron en enero de 2014. Aunque estos datos no se obtuvieron el mismo día en el que se realizó el vuelo para la aplicación de SfM, las superficies a comparar no han tenido deformación entre los dos periodos. Tanto la roca madre como el asfalto no presentan cambios substanciales para períodos temporales tan cortos (3 meses). Para la adquisición de datos TLS se hicieron 2 estacionamientos del láser con una resolución de 2cm a 50 m. Se ubicaron 4 dianas circulares con trípodes, cuyas coordenadas (x,y,z) fueron tomadas con un Leica VIVA® GS15 en RTK. Las coordenadas su obtuvieron en configuración RTK, pero en modo estático. Esta configuración permite obtener coordenadas con mayor calidad, aunque el tiempo necesario para la toma de estas es mayor. La calidad de las coordenadas de las dianas (3D) fue inferior a los 2 cm. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 50 3.3.2 Post-proceso de la información y comparación de la información topográfica La figura 26B muestra, de manera esquemática, la fase de post-proceso de la información topográfica obtenida con TLS, y la metodología utilizada para validar la información topográfica obtenida con SfM para cada una de las superficies de análisis: (a) superficie lisa y (b) rugosa o variable. Por lo que se refiere al post-proceso de la información TLS, una vez adquiridos los datos en campo, se han registrado los dos escáneres y se ha georreferenciado la nube de puntos. Los datos del TLS se han post-procesado mediante Leica Cyclone 8.1®. A partir de la ortofoto obtenida con la metodología que se presenta en este proyecto, se han delimitado las áreas de estudio o de análisis: superficies lisas y rugosas (Figura 26B). Se han exportado los datos topográficos obtenidos mediante TLS y SfM para cada una de estas superficies o áreas de análisis. Para comparar las nubes de puntos obtenidas con SfM y TLS se ha utilizado el software libre Cloud Compare v2.5.3®. Tal y como muestra la figura 26, B.3, este software permite, de manera rápida, el cálculo del vector resultante de comparar la localización 3D de dos observaciones topográficas. En el caso de este proyecto, Obs TLS se refiere a un punto obtenido mediante Láser Terrestre, mientras que Obs SfM se trata del punto más próximo a Obs TLS, pero obtenido mediante SfM. La longitud del vector determina el residual entre las dos observaciones, y en nuestro caso, el error de SfM debido a que se considera que el TLS proporciona la superficie real de cada área de análisis. Los resultados de Cloud Compare v2.5.3® permiten obtener las distribuciones de los residuales para cada una de las superficies, y así, calcular las correspondientes curvas de frecuencias acumuladas y los percentiles asociados a éstas. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 51 A.3. Escaneo de 2 tipos de superficie según su rugosidad: (i) lisa (izquierda, puente) y (ii) rugosa (derecha, lecho en roca con bolos) , A. ADQUISICIÓN DE DATOS TLS VALIDACIÓN DE LOS MODELOS TOPOGRÁFICOS (TLS vs SfM) B. POSTROCESO: COMPARACIÓN NUBE DE PUNTOS A.1. 2 Estacionamientos del Laser Escáner Terrestre, modelo ScanStation C10 de Leica Resolución: 2cm a 50metros A.2.1. Posicionamiento de 3 dianas para la orientación del TLS y posterior georreferenciación en coordenadas globales A.2.2. Coordenadas de las dianas tomadas con GPS-RTK con calidades 3D inferiores a 2 cm B.1. Nube de puntos obtenida por el TLS. Post procesada con el softwareLeica Cyclone 8.1 ®. Se observa la localización de las 4 dianas en amarillo. B.2. Nube de puntos obtenida por SfM con el software ® Agisoft Photoscan Pro 1.0.0 Obs TLS Obs SfM B.3. Validación: vector de desplazamiento entre cada punto observado con SfM y TLS. Software libre utilizado: Cloud Compare v2.5.3 ® Figura 26. Metodología del proceso de validación de la nube de puntos topográfica obtenida mediante SfM: (A) adquisición y (B) post-proceso de datos TLS y comparación de valores topográficos. Se considera la información TLS como puntos del terreno reales. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 52 4. RESULTADOS PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 53 4.1 Obtención de nubes de puntos, ortofotos y modelos topográficos A continuación, se presentan los resultados obtenidos tras aplicar técnicas novedosas en topografía a escala de tramo fluvial (i.e. SfM) siguiendo el flujo de trabajo que se ha desarrollado y validado en este proyecto. De manera específica, en esta sección se presenta: (i) la información topográfica obtenida para el conjunto del tramo de estudio (i.e. nube de puntos de alta densidad); (ii) la ortofoto resultante a una resolución de 5 cm y, de manera complementaria, (iii) un modelo topográfico a escala de barra fluvial elaborado mediante el filtrado y regularización de la información aplicando ToPCat (ver métodos, 3.1.2). 4.1.1 Nube de puntos: fotogrametría digital automatizada Mediante la aplicación de la metodología que se presenta en este trabajo, se han podido obtener varias nubes de puntos topográficas con información 3D (xyz) de diferentes densidades (puntos/m2), todas ellas con precisiones centimétricas (Figura 27 y 28). Se han utilizado un total 1305 fotografías aéreas tomadas sobre el cauce del Alto Cinca en octubre de 2013. Para el postproceso de la información se estableció una red de 220 puntos de control distribuidos espacialmente a lo largo de todo el tramo. Un total de 17 puntos de control fueron eliminados debido a la detección de errores externos, atribuidos, probablemente, a la movilización de los puntos de control una vez obtenida su localización y antes de realizar el vuelo (asociado a animales/viento). La tabla 4 muestra la información asociada a las características y resoluciones de las imágenes, las características de la cámara fotográfica utilizada, y algunos detalles del vuelo en el que se obtuvieron las fotografías. Tabla 4. Características de las imágenes obtenidas, de la cámara de fotos utilizada y altura del vuelo realizado en octubre de 2013. El post-proceso de esta información ha proporcionado información topográfica de elevada densidad. Característica Cámara NIKON D3100 (18 mm) Distancia focal 18 mm Modo disparo cámara ISO automático, modo deporte Resolución de las imágenes 5 – 6 cm Número de estaciones (posiciones cámaras) 1305 Número puntos comunes (tie-points) 6148969 Altura de Vuelo 235 m Líneas de vuelo (pasadas) 4 Agisoft PhotoScan Pro permite generar información topográfica a diferentes densidades. Esta opción es muy interesante y de gran utilidad, para generar sólo aquella información que se adecue al objetivo del trabajo. La primera nube de puntos, tras la alineación, siempre es de baja densidad (en este caso de 1.27 puntos/m2). Una vez georreferenciada la información, podemos generar un producto con mucha más resolución espacial, siempre dependiendo de la resolución y del número de fotografías originales. En el caso del estudio que se presenta en este proyecto, se ha desarrollado una nube de puntos de 32.5 puntos/m2 (densidad media), aplicando un filtro agresivo para eliminar los valores atípicos. La figura 27 muestra dos ejemplos de la información topográfica 3D obtenida. Se trata de dos tramos de alta complejidad topográfica. Se observa la elevada resolución de la información producida, lo que permite la identificación de árboles, cárcavas, casas y otros elementos de interés. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 54 El error total de post-proceso (Figura 27, A.5) para todo el tramo de estudio es de 0.14 m. Este error esta expresado como el error cuadrático medio entre la coordenada real de cada GCP y la coordenada resultante una vez procesada y registrada la información. El error total corresponde a la suma cuadrática de los errores de posicionamiento en planta (x e y) y de los errores en la elevación (z). El error cuadrático medio para cada una de las coordenadas oscila entre los 6 y 10 cm (ver Figura 27A). Cabe resaltar y recordar, que estos errores representan los residuales de las coordenadas de los GCPs utilizados para la georreferenciación y registro de la nube de puntos, en cualquier caso se han utilizado puntos test o check para estimar la exactitud del modelo. Este análisis se realizará en el apartado 4.2 y 4.3 de los resultados. Para mostrar el efecto del aumento de la densidad de la información, se ha seleccionado una barra fluvial en las proximidades del camping de la Peña Montañesa, Labuerda (Figura 27, A.2 y A.4). Para esta barra se ha generado una nube de puntos a baja densidad (1.7 puntos/m2) y a media densidad (20.3 puntos/m2). Se puede observar en la figura 27A la diferencia entre densidades, tanto a nivel visual como a nivel numérico en la tabla adyacente. Uno de los aspectos que este proyecto no analiza, pero que es necesario apuntar, es la posibilidad de utilizar esta metodología para superficies ubicadas debajo del agua. Es el caso de los cauces fluviales con bajas profundidades (siempre y cuando se pueda observar en la fotografía). A modo de ejemplo, la figura 27A, muestra como el programa parece que extrae valores topográficos para el cauce mojado. Son pocos los estudios realizados en los que se valide SfM para estas condiciones. Para técnicas fotogramétricas convencionales, Fryer (1983) desarrolló un factor correctivo de refracción que permitía la utilización de estas técnicas. Recientemente, Tamminga et al., (2014) y Woodget et al., (2014) muestran como un factor correctivo similar al desarrollado por Fryer se puede aplicar para SfM, y como para profundidades relativamente pequeñas, la no aplicación de ningún factor correctivo no genera errores de elevada magnitud (inferiores a los 10 cm). El desarrollo de una metodología específica para estas condiciones permitiría obtener información batimétrica, y por tanto, información topográfica del cauce mojado. La elevada turbidez del agua y las turbulencias superficiales en rápidos son factores limitantes que requieren más investigación. Por último, apuntar que Agisoft PhotoScan Pro permite la generación de un Modelo Digital de Elevaciones (MDE) directamente, sin filtrado ni regularización. La figura 27, A.3 muestra un ejemplo para un área de 6.68 km2 a una resolución de 0.23 m. Hay que tener en cuenta que la información topográfica mediante la que se desarrolla este MDE, tal y como se ha indicado, no está filtrada y carece de regularización. Además, se trata de un MDE, y en muchos casos (zonas con elevada densidad de vegetación) podría no representar la superficie (i.e. MDT). Esto podría generar ciertas incertidumbres en los resultados si el objetivo es el análisis de los cambios topográficos de una superficie determinada. Por este motivo, tal y como describe Brasington et al., (2012) para el caso de datos topográficos obtenidos mediante TLS, se aconseja un filtrado con técnicas de geoestadística para una mejora en la creación de modelos topográficos, y productos adicionales como modelos de rugosidad. En el caso de este trabajo, se presenta un ejemplo de filtrado y regularización en la sección 4.1.3. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 55 Figura 27. Resultados obtenidos a partir de fotografías aéreas digitales aplicandoSfM.. (A) Nube de puntos topográfica del cauce del tramo de estudio (13 km). Nube de puntos con (A.1.1) baja y (A.1.2) media densidad a escala de tramo y a escala de barra (A.2 y A.2.1). . Cabe destacar que las observaciones topográficas se han coloreado a partir de los valores RGB de la fotografía; por este motivo y por la elevada densidad parece que se trata de una fotografía aunque representa la nube de puntos. (A3) Modelo Digital de Elevaciones sin regularización ni filtrado de la información topográfica. (A4) Valores de densidad de las nubes de puntos obtenidas a escala de tramo y de barra. (A5) Errores cuadráticos medios asociados al post-procesado y obtención de la información topográfica. (B) Visualización en varias escalas de la ortofoto generada de altísima resolución (5 cm). Todos los resultados georreferenciados en ETRS 89 HUSO 31N. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 56 Figura 28. Ejemplo de la información topográfica 3D obtenida a partir de la aplicación de la metodología que se presenta en este trabajo: (A) zona de inicio de tramo de estudio (aguas arriba); puente de Laspuña; y (B) zona final de tramo de estudio (aguas abajo); puente de Ainsa. 4.1.2 Ortofoto de alta resolución Tal y como se ha indicado anteriormente, el flujo de trabajo que se presenta en este proyecto permite obtener ortofotos de elevada resolución. La figura 27B, muestra el resultado para el vuelo de octubre de 2013. En este caso, la ortofoto dispone de una resolución de 5 cm, directamente relacionado con las características del vuelo que se presentan en la tabla 4. Cabe destacar que el vuelo que se presenta en este proyecto se realizó con el objetivo de obtener imágenes con una resolución próxima a los 5 cm, aunque la resolución podría ser mayor si se volase a una altura menor, siguiendo los resultados del diseño experimental (relación cámaradistancia-resolución). Los resultados del diseño experimental permiten buscar la altura de vuelo necesaria para adquirir imágenes a una determinada resolución (Figura 19, A.3). La figura 27B muestra el detalle de la información a múltiples escalas. Se puede observar cómo se identifican cantos individuales ubicados en las barras de manera visual. Estas ortofotos, podrían ser utilizadas para generar mapas granulométricos, morfológicos o de hábitat (A) (B) PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 57 siguiendo técnicas de geoestadística como las que presenta Verdú et al. (2005) para el caso de la granulometría de lechos de gravas y cantos. 4.1.3 Filtro de la información y generación de modelos 2D En esta sección se presenta un modelo topográfico a escala de barra fluvial elaborado mediante el filtrado y regularización de la información aplicando ToPCAT (ver metodología). La figura 29, muestra los resultados obtenidos para la barra ubicada en las proximidades del camping Peña Montañesa (Labuerda, mismo ejemplo que en la figura 27). Tal y como se observa en la figura 29A, se trata de una barra y llanura de inundación con una elevada complejidad topográfica. Esta característica podría generar una elevada incertidumbre en el cálculo de un modelo digital del terreno sin previo filtro y regularización de la información. Estas características también se tendrían que considerar si se calculase un MDE directamente con Agisoft PhotoScan Pro sin previo filtro o clasificación de la nube de puntos. La figura 29B, presenta el Modelo Digital del Terreno (MDT) obtenido a escala de barra. Para el cálculo de este modelo, en primer lugar, se ha exportado la nube de puntos generada mediante SfM (tan solo se han exportado los puntos dentro del área de interés). La densidad de puntos en esta área oscila entre los 8 y los 188 puntos/m2. Se ha creado un archivo *.pts (i.e. archivo x,y,z de texto) que será el que se importará a TopCat. Cabe destacar que TopCat es de libre distribución (ver Brasington et al., 2012) y se puede ejecutar mediante Phyton. Adicionalmente, también se puede instalar la extensión Geomorphic Change Detection de ArcMap, realizada por el equipo del Dr. Joe Wheaton en Utah State University (ver http://gcd6help.joewheaton.org/) y que incluye el propio algoritmo TopCat, además de otras opciones para comparar superficies topográficas. Se ha ejecutado TopCat con una malla regular de 0.5 metros. De entre los resultados, se ha utilizado el valor de elevación mínimo (Zmin) dentro de cada celda de la malla. Los resultados se han importado en ArcMap (agregar datos XY). Se ha generado un TIN y posteriormente un RASTER mediante la extensión 3D analyst , con una resolución de 0.5 metros. Tal y como se ve en la figura 29B, el resultado permite diferenciar la complejidad topográfica de la barra. Se pueden observar los distintos canales que diseccionan la parte inicial de la barra, debido a la elevada sedimentación en esta zona, condicionada por el elevado gradiente horizontal hacia el margen derecho. Además de este resultado, TopCat proporciona una serie de estadísticos que pueden ser de gran interés para el análisis de la información topográfica de la nube de puntos (ver metodología). Uno de estos estadísiticos es la desviación estándar corregida. Se considera desviación corregida (i.e. detrended standard deviation en inglés) la desviación estándar de los valores de elevación z, una vez sustraído en éstos la parte de la elevación causada por el efecto de la pendiente topográfica. Tal y como se describe en la metodología, estos valores se consideran representativos de la rugosidad de la celda. Por ejemplo, si nos ubicamos en un talud con vegetación, el cálculo de la desviación estándar corregida nos proporcionaría información de la complejidad topográfica en una celda atribuida directamente a la vegetación. En el caso de que se utilizase la desviación estándar de las elevaciones sin ninguna modificación, este valor representaría la complejidad topográfica resultante de la pendiente y de la vegetación. En el caso de la figura 29C, se ha ejecutado TopCat, pero con una malla de 1 metro (con el objetivo de ampliar la malla de análisis). Posteriormente, los resultados de la detrended standard deviation se han importado en ArcMap (agregar datos XY). Se ha generado un TIN y posteriormente un RASTER mediante la extensión 3D analyst con una resolución de 1 metro. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 64 5. APLICABILIDAD: FOTOGRAMETRÍA DIGITAL AUTOMATIZADA Y GEOMORFOLOGÍA PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 65 0 5 102.5 Km ± AB C D F En los anteriores apartados se ha presentado y evaluado la fotogrametría digital como técnica de obtención de información topográfica de elevada densidad. Esta técnica propicia nuevas oportunidades en el campo de la geomorfología. A modo de ejemplo, en la pasada Reunión Nacional de Geomorfología (Cáceres, septiembre de 2014) son numerosos los estudios que se presentaron en los que SfM es la herramienta principal para obtención de información topográfica. Tal y como se apuntó en la introducción, la elaboración de modelos digitales del terreno (MDT) o de superficies (MDS) es fundamental para (a) la caracterización de superficies, (b) para el estudio evolutivo de éstas y (c) para la modelización de éstas o para la parametrización de modelos en los que la topografía sea una variable clave para su parametrización. En muchos casos, aunque el objetivo sea tan solo la caracterización de superficies, la deformación de éstas o el acceso limitan la aplicación de técnicas invasivas como las Estaciones Totales o sistemas GPS de elevada precisión (diferenciales con RTK). SfM puede facilitar la obtención de información topográfica en este tipo de superficies. La figura 34 muestra un ejemplo de esta aplicabilidad. Se trata de información topográfica obtenida en glaciar del Monte Perdido. A partir de fotos oblicuas obtenidas desde la base del glaciar (n= 65); se han generado dos nubes de puntos topográficas de diferente densidad y una ortofoto 3D de alta resolución. Figura 34. Información topográfica en superficies de difícil acceso: glaciares. (A) localización del glaciar del Mte Perdido. (B) fotografía del cuerpo glaciar. (C) nube de puntos generada de baja densidad. (D) nube de puntos generada de media densidad (F). Ortofoto (resolución: 0.29 m). Productos obtenidos en coordenadas locales. Fecha imágenes y productos generados: 14/06/2014. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 66 La información generada está en un sistema de coordenadas local, al no establecerse una red de control que permita la georreferenciación, aunque hay puntos fijos establecidos en el glaciar por campañas previas de otros grupos de investigación, que actualmente monitorizan los cambios topográficos de la zona (i.e. cambios anuales-estacionales de la cobertura de hielo y nieve). Este es un claro ejemplo de aplicación de técnicas SfM en lugares de difícil acceso, donde la reducción de costes (i.e. temporal, económico) respecto de otras técnicas (i.e. TLS) hace que sea indiscutible su aplicabilidad, aunque se debe comparar previamente si la calidad de la información topográfica puede posibilitar esta sustitución. Los avances en las técnicas de fotogrametría digital automatizada se están beneficiando de otros avances tecnológicos relacionados con la aparición de plataformas automatizadas para la toma de fotos. Nos referimos a los UAVs (Unmanned Aerial Vehicle; vehículo aéreo no tripulado). La aparición de estas plataformas ha tenido un crecimiento exponencial en la última década. Actualmente el coste de estas plataformas es muy bajo y su aplicabilidad no requiere una elevada experiencia. Así, la combinación SfM y UAV permite la programación de vuelos para la obtención de fotografías aéreas a múltiples escalas, tanto espaciales (relacionado altura de vuelo) como temporales (múltiples, i.e. análisis de cambio). La geomorfología estudia las formas, su evolución y las causas de ésta. Así, la comparación de superficies topográficas es determinante para entender la evolución de las superficies y los procesos responsables. En este sentido, desde nuestro punto de vista, SfM puede ser una técnica determinante en la comprensión de algunos procesos. SfM dispone de la trilogía coste-rapidez-resolución. El coste de aplicar estas técnicas es relativamente bajo si lo comparamos con técnicas de Láser Terrestre (TLS). Además, tal y como se ha descrito en este trabajo, la correcta aplicación de un flujo de trabajo optimiza la adquisición de la información requerida para generar topografía mediante SfM (rapidez). Y, finalmente, tal y como se ha evaluado en el apartado final de ese proyecto, una correcta localización (y densidad) de los puntos de control mejora sustancialmente la calidad de la información topográfica resultante. Aunque, seguramente mejorará la resolución o calidad de estas técnicas, a día de hoy, la resolución permite el estudio de procesos de magnitud moderada (cambios decimétricos entre superficies). La figura 35 muestra un ejemplo de análisis de cambio. En este caso se trata de la evolución topográfica de la barra ubicada en la zona del camping Peña Montañesa (Alto Cinca, misma zona en la que se ha obtenido el MDT; figura 35). Se han calculado los cambios topográficos de esta barra después de un periodo con caudales de elevada magnitud y competentes (caudal máximo medio diario de 800 m3/s). El periodo de análisis trascurre entre junio y octubre de 2013. Se han generado dos MDT, uno para cada periodo. Cabe destacar que, en el marco del proyecto MoprhSed, se dispone del vuelo de junio de 2013 y, consecuentemente, de información topográfica para este periodo. Los MDT se han generado siguiendo la aproximación descrita en la sección 4.1.3 (filtro mediante TopCat). Los MDTs se han comparado mediante un simple cálculo de álgebra de mapas. Se le ha restado al MDT más reciente (i.e. octubre) los valores del MDT más antiguo (i.e. junio). El resultado es una diferencia de MDTs o lo que se conoce de manera internacional como un DEM of Difference o DoD. En este caso, valores positivos indican sedimentación, mientras que valores negativos erosión. Tal y como se puede observar, el proceso dominante durante este periodo es de sedimentación. Tan solo se observan procesos erosivos en algunos de los canales que diseccionan la barra en la parte superior, y en algunos márgenes con escarpe del margen izquierdo. A partir de esta información se podrían extraer volúmenes y con la posibilidad de estudiar el balance sedimentario en esta unidad. De manera específica, a destacar el gran interés de esta zona, ya que la administración ha detectado numerosos problemas de estabilidad en la PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 67 escollera del margen derecho. Actualmente se está actuando en ella para cambiar el trazado del cauce y reducir la erosión en el margen derecho. La necesidad de realizar esta actuación, surgió debido a los efectos de las crecidas de verano de 2013. Así, el estudio evolutivo de superficies podría ser determinante para cuantificar los procesos erosivos y sedimentarios para, por ejemplo, a nivel aplicado, una correcta protección de infraestructuras. Los resultados de la figura 35 indican claramente, como la sedimentación de material en la barra propició un gradiente lateral hacia el margen derecho y, consecuentemente, un aumento de la energía incidente en los pies de la escollera. La interpretación de DoD puede ser determinante para estudiar los mecanismos dominantes en los cambios de trazado de los lechos de los ríos de gravas. Figura 35. Comparación de Modelos Digitales del Terreno (DoD) en el Alto Cinca (escala de barra, zona del camping Peña Montañesa). Se comparan los modelos obtenidos en junio y octubre de 2013, después de un período con caudales de elevada magnitud y competentes. Se presenta la ortofoto de 5 cm de resolución y el MDT de octubre de 2013 como referencia. Tal y como se ha podido observar en este proyecto, son numerosas las oportunidades que ofrece SfM. Aunque la calidad de la información topográfica obtenida puede ser categorizada como aceptable, es necesario un análisis crítico de ésta, sobre todo, cuando el objetivo es comparar la dinámica o evolución topográfica de una superficie. Los resultados al comparar dos MDTs estarán directamente influenciados por la calidad de cada uno de éstos (ver Wheaton et al., 2010 para un análisis detallado de incertidumbre topográfica al comparar MDTs). Así, si la calidad de los MDTs es baja, algunos de los cambios topográficos observados pueden ser inciertos, ya que podrían ser el resultado de una baja calidad de la información primaria (i.e. topografía). A modo de ejemplo, siguiendo la aproximación de Brasington et al. (2000), se puede estimar el error total al comparar dos MDTs mediante: PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 68 Error Total = donde, - e1 es el error del Modelo Digital del Terreno 1 (tiempo 1, más viejo) - e2 es el error del Modelo Digital del Terreno 2 (tiempo 2, más reciente) Así, por ejemplo, si consideramos que los MDTs que estamos analizando tienen un error de 0.4 metros (similares a los obtenidos en este estudio), el error total al comparar los dos modelos estaría alrededor de los 0.57 metros. De manera general, todos aquellos valores del DoD inferiores a 0.57 (±) tendrían que ser categorizados como inciertos. La aplicabilidad de SfM para el estudio de los cambios topográficos estará muy relacionada con la magnitud de los cambios a estudiar, de la complejidad de la topografía a comparar, y de la escala espacial de estudio. Un correcto diseño metodológico es necesario para optimizar el uso de esta técnica y garantizar resultados con una menor incertidumbre posible. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 69 6. CONCLUSIONES PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 70 En este trabajo final de máster se ha diseñado, evaluado y aplicado un flujo de trabajo para la obtención de información topográfica de elevada densidad mediante fotogrametría digital automatizada (SfM). Mediante la aplicación de esta técnica en el tramo alto del río Cinca (Pirineo Aragonés), se ha hecho un análisis crítico de errores, asociados, mayoritariamente, a la georreferenciación de la información. Se ha analizado el efecto de la densidad de puntos de control y de diferentes patrones de localización de éstos. La exactitud o calidad de la información obtenida se ha evaluado mediante puntos test o check. Adicionalmente, la información topográfica obtenida mediante SfM se ha validado con datos de elevada precisión y resolución obtenidos con Láser Escáner Terrestre (TLS). Esta validación, se ha realizado de manera independiente para superficies lisas y superficies rugosas, con el objetivo de estudiar el posible efecto de la complejidad topográfica sobre la calidad de la información resultante. Por último, se presentan dos ejemplos de aplicabilidad de estas técnicas en el campo de la geomorfología. El trabajo incluye también, una caracterización detallada del área de estudio mediante la aplicación de SIG y herramientas de teledetección aprendidas durante el transcurso del máster. En un estudio reciente de Woodget et al., (2014) se identifican las principales líneas de investigación en las que se debería trabajar para la mejora de las técnicas de fotogrametría digital (aplicado en el campo de la geomorfología fluvial, pero de interés general). Una de las líneas identificada por los autores, corresponde al análisis crítico de la calidad de la información topográfica obtenida en base a la orientación de la cámara, al solapamiento entre fotografías y, directamente relacionado con este proyecto, en base a la densidad de los puntos de control (GCPs). De esta forma, se considera que este proyecto puede ser de gran utilidad para la comunidad científica. Esta utilidad no sólo recae en el análisis de errores, sino también en el flujo de trabajo que se presenta y describe detalladamente. Las principales conclusiones que se extraen de este proyecto final de máster son: 1. Los recientes avances tecnológicos están favoreciendo el surgimiento de nuevas oportunidades para la obtención de información topográfica de elevada resolución, a un bajo coste y a una velocidad sin precedentes. La fotogrametría digital automatizada o Structure from Motion (SfM) es una técnica que está siendo ampliamente utilizada, aunque, tal y como apunta este proyecto, su correcta utilización requiere de un diseño metodológico específico y flujos de trabajo complejos para minimizar los errores y aumentar la calidad de la información resultante. 2. La aplicación de SfM permite obtener nubes de puntos de distintas densidades y ortofotos de elevada resolución (relacionada con la altura y calidad de las imágenes). Las ortofotos pueden ser de gran interés para generar productos adicionales mediante la aplicación de técnicas de geoestadística (fuera del ámbito de estudio de este proyecto pero de gran interés para la comunidad). 3. El análisis de errores muestra que, aunque los errores de georreferenciación sean bajos, es necesario un análisis de calidad de la información topográfica mediante puntos test (check points). Una reducción de los puntos de control que se utilizan para el post-proceso y georreferenciación de la información puede aparentar una reducción del error de georreferenciación. La reducción de los GCPs facilita el cálculo de los parámetros de transformación, pero reduce sustancialmente la calidad de la información topográfica resultante (e.g. 20 GCPs, error georreferenciación = PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 71 0.02 m; error de los puntos test = 2.6 m). Los resultados indican como la utilización de 61 GCPs (4.7 GCPs por quilómetro lineal de río; o 0.13 GCPs/ha) garantiza errores relativamente bajos de georreferenciación (próximos a 0.10 m) y calidades aceptables (dependiendo objetivo estudio; próximos a los 0.5 m). 4. No sólo es importante una correcta densidad de puntos de control, sino que la distribución espacial de éstos (su ubicación en relación al área de estudio) también puede condicionar la calidad de la información topográfica. Aunque los resultados más favorables se han obtenido mediante un patrón de distribución por secciones, se considera el patrón de distribución perimetral como el patrón óptimo para minimizar el tiempo de posicionamiento de los GCPs garantizando, a su vez, errores de georreferenciación relativamente bajos (i.e. 0.13 m) y calidades (i.e. 0.28 m) aceptables. 5. La complejidad topográfica de las superficies determina la magnitud de los errores. La comparación de observaciones obtenidas mediante SfM con observaciones de elevada precisión y densidad adquiridas con TLS, muestra como los errores de la información obtenida con SfM son superiores en superficies rugosas que en superficies lisas. La mediana de las distribuciones de errores se sitúa alrededor de los 0.4 y 0.6 m, para las superficies lisas y rugosas respectivamente. 6. Es necesario considerar la calidad de la información topográfica cuando el objetivo de nuestro estudio es analizar los cambios topográficos entre dos o más periodos. La calidad de los modelos debería adaptarse a la magnitud de cambios esperados. La comparación de modelos de baja calidad puede generar resultados con una elevada incertidumbre en los que el cambio observado puede ser el reflejo de la baja calidad topográfica y no un cambio real. La magnitud de los errores que se presentan en este estudio, se puede reducir sustancialmente si se trabaja a escalas mayores (alturas de vuelo de 50 metros con imágenes de 1 cm de resolución; Vericat & Smith, comunicación personal). Cabe destacar que en este trabajo se presenta un modelo de elevada resolución, para un tramo fluvial de 13 km con una calidad de aproximada de 0.4 m (en su conjunto). La fotogrametría digital automatizada es una técnica que está siendo ampliamente utilizada en multitud de áreas de conocimiento, aunque, tal y como muestra este trabajo, su correcta utilización requiere de un diseño metodológico específico y flujos de trabajo complejos para minimizar los errores y aumentar la calidad de la información resultante en base a las particularidades de las áreas de estudio y a los objetivos específicos de los estudios. PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 72 7. BIBLIOGRAFÍA PFM Fotogrametría y Geomorfología 2013-14 Efrén Muñoz Narciso 73 AgiSoft, 2013. Agisoft PhotoScan User Manual: Professional Edition. 1.0.0. Retrieved. June 15, 2013 from http://www.agisoft.ru/products/photoscan/professional/. Batalla (200 ): “Déficit de sedimento fluvial a causa de las presas y las extracciones de áridos". Revisión con ejemplos del NE de España”. Cuaternario y Geomorfología 17(3-4): 7991. 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