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PRIMER CONGRESO DE LA CIENCIA CARTOGRFICA Y VIII SEMANA NACIONAL
DE CARTOGRAFA, BUENOS AIRES 25-27- JUNIO-2003
MODELO DIGITAL DE ELEVACIONES ASTER, UNA HERRAMIENTA TIL PARA
GENERAR CARTOGRAFA A ESCALA 1:100.000
Ins DI TOMMASO
SEGEMAR Servicio Geolgico Minero Argentino
[email protected]
RESUMEN El sensor ASTER, a bordo del satlite TERRA tiene la
capacidad de generar modelos digitales de elevacin DEM para una
misma escena, esto se debe a que el sistema VNIR visible e
infrarrojo cercano, de 15m de resolucin espacial posee dos
telescopios, uno visin nadir y otro visin hacia atrs (backward). El
nivel 1A es el dato de origen para la generacin del DEM, las bandas
3N (nadir) y 3B (backward) son las que generan la visin
estereoscpica. La obtencin del DEM esta automatizada por el
software ASTER DEM data generation, desarrollado por el comit
cientfico de ASTER; utiliza la tecnologa de stereo matching, genera
un DEM en un archivo digital entero binario, rectificado y
registrado con los datos de efemrides del satlite, por esta razn
este proceso se realiza sin necesidad de puntos de control de campo
CPP. El DEM genera una matriz de elevacin de 30m x 30m, lo que
implica un dato de altura (z) cada 2 pxeles. El software Geocoded
Ortho Image Generation ortorrectifica la imagen y el DEM a un plano
de referencia pre-determinado. A partir del proyecto Geosat-Ar en
el que intervienen la JICA (Agencia Internacional de Cooperacin de
Japn) y el SEGEMAR para el mapeo geolgico utilizando datos de ltima
generacin, se han elegido reas piloto y varias de ellas no cuentan
con cartografa oficial, por tal motivo con ASTER es posible
realizar esta tarea a muy bajo costo y con un grado de
confiabilidad aceptable a escala 1:100.000. Procesamientos y
metodologa, utilizando sistemas de informacin geogrfico son
presentados.
NDICEDE TRABAJOS
NDICE GENERAL
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PRIMER CONGRESO DE LA CIENCIA CARTOGRFICA Y VIII SEMANA NACIONAL
DE CARTOGRAFA, BUENOS AIRES 25-27- JUNIO-2003
MODELO DIGITAL DE ELEVACIONES ASTER, UNA HERRAMIENTA TIL PARA
GENERAR CARTOGRAFA A ESCALA 1:100.000
Ins DI TOMMASO
SEGEMAR Servicio Geolgico Minero Argentino
[email protected]
RESUMEN El sensor ASTER, a bordo del satlite TERRA tiene la
capacidad de generar modelos digitales de elevacin DEM para una
misma escena, esto se debe a que el sistema VNIR visible e
infrarrojo cercano, de 15m de resolucin espacial posee dos
telescopios, uno visin nadir y otro visin hacia atrs (backward). El
nivel 1A es el dato de origen para la generacin del DEM, las bandas
3N (nadir) y 3B (backward) son las que generan la visin
estereoscpica. La obtencin del DEM esta automatizada por el
software ASTER DEM data generation, desarrollado por el comit
cientfico de ASTER; utiliza la tecnologa de stereo matching, genera
un DEM en un archivo digital entero binario, rectificado y
registrado con los datos de efemrides del satlite, por esta razn
este proceso se realiza sin necesidad de puntos de control de campo
CPP. El DEM genera una matriz de elevacin de 30m x 30m, lo que
implica un dato de altura (z) cada 2 pxeles. El software Geocoded
Ortho Image Generation ortorrectifica la imagen y el DEM a un plano
de referencia pre-determinado. A partir del proyecto Geosat-Ar en
el que intervienen la JICA (Agencia Internacional de Cooperacin de
Japn) y el SEGEMAR para el mapeo geolgico utilizando datos de ltima
generacin, se han elegido reas piloto y varias de ellas no cuentan
con cartografa oficial, por tal motivo con ASTER es posible
realizar esta tarea a muy bajo costo y con un grado de
confiabilidad aceptable a escala 1:100.000. Procesamientos y
metodologa, utilizando sistemas de informacin geogrfico son
presentados. INTRODUCCION
El sistema multiespectral ASTER consta de 14 bandas desde al
visible al infrarrojo termal. Esta amplia regin espectral es
cubierta por tres telescopios para los subsistemas VNIR, SWIR y
TIR. Un cuarto telescopio en la regin del visible-infrarrojo
cercano VNIR, es utilizado en posicin vista atrs para generar la
visin estereoscpica (Aster Users Guide).
Los parmetros de rbita del satlite TERRA son similares al
Landsat 7 con
excepcin del tiempo local de cruce del Ecuador que es a las
10:30.
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Tabla 1
La Tabla 1 muestra el rango espectral y la resolucin espacial de
los tres subsistemas ASTER. El subsistema VNIR tiene dos
telescopios: Telescopio visin nadir Telescopio vista atrs
(backward) El ancho de barrido del sistema ptico de los detectores
cubre una superficie de 60 x 60km a una altitud de 705km. Debido a
que la distancia entre rbitas adyacentes es de 172 km ASTER posee
un sistema de puntera lateral para cubrimiento global, ste se
encuentra en la direccin perpendicular a la orbita (cross
track).
Subsistema No de Banda
Rango Espectral m
Resolucin Espacial
VNIR
1 2
3N 3B
0,52-0,60 0,63-0,69 0,76-0,86 0,76-0,86
15m
SWIR
4 5 6 7 8 9
1,60-1,70 2,145-2,185 2,185-2,225 2,235-2,285 2,295-2,365
2,360-2,430
30m
TIR
10 11 12 13 14
8,125-8,475 8,475-8,825 8,925-9,275 10,25-10,95
1095-11,65
90m
Los ejes pticos de los telescopios nadir y vista atrs pueden ser
orientados simultneamente en la direccin cross track para permitir
un total cubrimiento entre rbitas adyacentes (172km), el ngulo de
punteo lateral medido con respecto a la posicin nadir vara de 0 a
8.55.
Figura 1
Los parmetros
geomtricos del instrumental han sido ajustados con precisin
durante la actividad de validacin con un gran nmero de puntos de
control de campo PCC.
La Figura 1 muestra la configuracin estreo del subsistema
VNIR.
El ngulo entre la
posicin nadir y la posicin vista atrs ha sido diseado para
permitir una relacin base altura de 0,6 en la direccin de la rbita
(along track) B/H = tan = 0,6 = 30,96, pero considerando la
curvatura de la tierra el valor del ngulo es de 27,60 . El sistema
ASTER tiene dos tipos de datos Nivel 1, 1A y 1B:
Nivel 1A se define como la reconstruccin del dato no procesado a
mxima resolucin. El dato Nivel 1A viene acompaado por un archivo
auxiliar con la tabla de coeficientes de calibracin radiomtrica, de
correccin geomtrica y otros datos sin aplicar a la imagen.
Nivel 1B es generado aplicando esos coeficientes.
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El Nivel 1A es el dato de origen para producir el Modelo Digital
de Elevaciones DEM pues posee los parmetros geomtricos necesarios
que permiten elaborar el DEM sin puntos de control de campo. La
precisin geomtrica del DEM depende de dos factores:
La actitud del satlite, o error dinmico El error instrumental, o
error esttico
El error dinmico es el mas importante, por tal motivo la actitud
del satlite se controla y graba cada 1024 segundos como dato
auxiliar.
El error esttico o instrumental de los telescopios del
subsistema VNIR se corrigen con los parmetros de ajuste
desarrollados y mejorados durante las pruebas de pre-vuelo y
primeras etapas de puesta en rbita del satlite. Los parmetros de
ajuste de los telescopios se sintetizan en:
Ajuste del telescopio Nadir, banda 3N, a travs de los siguientes
parmetros instrumentales:
1. Precisin en la posicin de la lnea de visin de los detectores
con respecto al sistema de navegacin del satlite.
2. Precisin y codificacin del error introducido por el sistema
de punteo lateral (pointing) en la direccin along track y cross
track de la rbita.
Ajuste del telescopio Backward, banda 3B, a travs de un
procedimiento similar al realizado para la banda 3N para el punto
1.
Los parmetros de ajuste de
la lnea de visin de los detectores fueron evaluada en el terreno
con un sistema de 127 puntos de control de campo, este anlisis
permiti mejorarlos y validar que la distorsin en la geolocacin de
una escena es del orden de un pxel (15m) para zona llana, sin error
de terreno.
rror
Figura 2
Real earth surfaceSuperficie de la
WGS-84 ellipsoidElipsoide WGS-84
SpacecraftSatlite
Terrain EError de
La Figura 2 muestra el error de terreno que se produce en reas
montaosas. En estas reas el error de geolocacin es mayor a los
previstos en las tareas de validacin debido a que ASTER refiere los
datos al elipsoide WGS84.
En reas con bajo error de terreno la precisin geomtrica
(geolocacin) de las componentes horizontales x e y, corregida por
los parmetros de ajuste de la banda 3N e incluyendo el error
dinmico residual es menor a 50m, esto ha sido validado para
elevaciones menores a 3000msnm (Fujisada, et al. 2001).
La precisin en la componente vertical o elevacin z, corregida
por los parmetros
de ajuste de la banda 3B es mejor a 15m (Fujisada, et al. 2001).
El algoritmo generador del DEM calcula la posicin de x, y sobre el
terreno con una precisin de 1 pxel (15m) y z cada 2 pxeles
(30m).
Figura 3
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El sistema de punteo
lateral (pointing) para recubrimiento global de la superficie
terrestre introduce un error de geolocacin.
La Figura 3 muestra la dependencia entre el ngulo de punteo y el
error de geolocacin en sentido de la rbita y perpendicular a la
orbita. El mximo ngulo de punteo es 8,55. METODOLOGIA Y
RESULTADOS
En el marco del Proyecto Geosat-Ar una de las reas seleccionadas
para el mapeo geolgico a escala 1:100.000 es la zona de Los
Menucos, Provincia de Ro Negro, con las cartas 4169-17 y 4169-18 de
la grilla ndice del Instituto Geogrfico Militar IGM.
Las cartas topogrficas no estn editadas hasta el presente, por
tal motivo se han
elaborado las cartas topogrficas a partir de datos ASTER. La
altimetra relativa (elipsoidal) y la hidrografa se obtiene de las
imgenes, la infraestructura de datos GPS modo diferencial tomados
durante la tarea de campo.
Se ha utilizado para la carta 4169-17 un mosaico de dos imgenes
con fecha de
toma: 11 de enero de 2001 y ngulo de punteo lateral o pointing
angle de:0.022 y para la carta 4169-18 una imagen con ngulo de
punteo lateral de: 5.672.
Las imgenes nivel 1A se procesaron utilizando los software ASTER
DEM data generation y Geocoded Ortho Image Generation desarrollados
por el comit cientfico de ASTER para plataforma UNIX, el primero
utiliza la tecnologa de stereo matching entre las bandas 3N y 3B
con esto se genera una matriz de elevacin de 30m x 30m, lo que
implica un dato de altura (z) cada 2 pxeles. El software Geocoded
Ortho Image Generation ortorrectifica la imagen y el DEM
proyectando los datos a un plano de referencia pre-determinado, en
nuestro caso UTM, WGS84.
Una vez obtenidas las imgenes y los modelos digitales de
elevacin, s continua
el procesamiento con software comerciales, como ENVI o ERDAS
para el tratamiento digital de las imgenes ASTER y Arc-View y
Arc-Info para los datos vectoriales y la integracin de la
informacin al Sistema de Informacin Geogrfico SIG Institucional del
SEGEMAR (Asato et.al.1996, Asato, 2001 y Asato, 2002). Si bien los
requerimientos cartogrficos definidos para el diseo del SIG
Institucional del SEGEMAR exige el uso de cartografa oficial y
reconocida (Asato op.cit. 1996), la cartografa generada a partir de
datos ASTER, tiene muy buena calidad a escala 1:250.000 y aceptable
a escala 1:100.000 .
Las imgenes y los DEM se reproyectan a Gauss Krger, Posgar 94, a
partir de los
DEM se obtienen las curvas de contorno relativas (referidas al
elipsoide wgs84), se verifica la precisin geomtrica de los datos
ASTER con puntos de control de campo, de haber un desplazamiento
mayor a 15m o 1 pxel para escala 1:100.000, es necesario ajustar la
imagen y el DEM. Para el rea de Los Menucos el error de geolocacin
es del orden de 2 pxeles (30m).
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Se realizan el o los mosaicos de las imgenes, se generan los
archivos vectoriales de cada uno de los elementos cartogrficos. En
ambiente SIG utilizando Arc-Info UNIX se generan las coberturas
de:
Altimetra de lneas y puntos, a partir de las curvas relativas
generadas
por cada DEM.
Infraestructura de lneas y puntos a partir de los archivos
vectoriales de los datos GPS corregidos diferencialmente en modo
lnea para rutas y caminos secundarios y en modo punto para ubicacin
de puntos de muestreo de rocas, elementos urbanos, puestos y puntos
de control de campo.
Hidrografa de lneas y polgonos a partir de la digitalizacin de
la red
de drenaje en modo lnea y de polgonos para los cuerpos hdricos.
Para la digitalizacin de los elementos cartogrficos se ha utilizado
la Normativa
de Digitalizacin de la Carta Geolgica (Asato et al. 1995,) este
documento define la estructura de los datos digitalizados, las
tolerancias de acuerdo a la escala, proyecciones, estructura de las
tablas asociadas, codificacin de la simbologa, etc.
El marco de la carta topogrfica define el rea geogrfica que
abarca y est
referido a la grilla ndice nacional para la cartografa a escala
1:100.000 identificada con un nmero ndice (IGM, 1946). El marco es
de tipo rectangular esfrico, con vrtices definidos cada 5 minutos
de grado y puntos de registracin (tics) digitalizados en cada uno
de los extremos, los cuales estn calibrados a la proyeccin Gauss
Krger (Asato, 2002). La Figura 4 es el resultado de la fusin de la
informacin generada a partir de las imgenes ASTER con el
procesamiento digital de los datos raster y vectoriales hasta
llegar a la representacin cartogrfica donde cada elemento est
representado por un atributo numrico que extrae la simbologa a
graficar del diccionario de lneas y puntos de elementos geogrficos
utilizado por el SEGEMAR que ha tomando como modelo el Reglamento
Cartogrfico Nacional (IGM, 1946). Figura 4 - Carta Topogrfica
4169-17 Cerro Abanico
REFERENCIAS
Localidad Puestos Caminos Cursos efmeros Bajos y salinas Curva
de nivel Principal
Curva de nivel secundaria
Equidistancia 25 m
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Otro producto de gran utilidad es la Carta Imagen que despliega
los elementos cartogrficos de la Figura 4 sobre el mosaico de las
imgenes ortorrectificado. CONCLUSIONES Los datos ASTER nivel 1A son
un medio rpido, eficiente y econmico para obtener cartografa con
buen nivel de precisin y sin necesidad de puntos de control de
campo a escala 1:250.000. Para cartografa a escala 1:100.000 es
necesaria la toma de puntos de control de campo y tambin tener en
cuenta el error de terreno introducido por la geografa del rea. El
DEM tiene precisin temporal, pues la toma casi simultnea de las
bandas 3N y 3B (cuatro segundos) en el sentido de la rbita elimina
la posibilidad de variaciones radiomtricas y es sistemtico pues
todas las tomas ASTER tienen la posibilidad de generar un DEM.
La Carta Topogrfica y la Carta Imagen son productos que se
obtienen utilizando los mismos conceptos y programas de generacin
AML (Arc-Info Macro Languaje) existentes para la confeccin de la
Cartas Geolgicas Regionales, del SIG Institucional del SEGEMAR.
AGRADECIMIENTOS La autora agradece a las autoridades del SEGEMAR la
lectura y el permiso para publicar este trabajo. BIBLIOGRAFIA
Reglamento Cartogrfico (1946). Instituto Geogrfico Militar, II
Edicin, Buenos Aires. Argentina. Asato, C.G. 1995. Condiciones
Tcnicas y Administrativas para la Digitalizacin de Mapas Geolgicos.
Revisado por F. Prez Cerdn y G. Marn. Open file. Direccional del
Servicio Geolgico, Buenos Aires, Repblica Argentina. Asato, C.G.,
Fernando Prez Cerdn y Graciela Marn, 1996. SIG Central del Servicio
Geolgico, La Importancia del Manejo Integrado de Datos Geolgicos en
Formato Digital. XIII Congreso Geolgico Argentino. III Congreso de
Exploracin de Hidrocarburos. Octubre 13-18 1996. Buenos Aires,
Repblica Argentina. Asato, C.G. 2001. Design Criteria in Government
Institutional GIS. International Association of Mathematical
Geology Congress, Cancn 2001. Asato, C.G. 2002. Estructura del
Sistema de Produccin Cartogrfica Digital del Servicio Geolgico
Minero Argentino. X Simposio SELPER, noviembre 2002. Cochabamba,
Bolivia. Fujisada, Hiroyuki, Akira Iwasaki, Seiichi Hara, 2001.
ASTER stereo system performance. SPIE Proceedings vol. 4540,
Toulouse, France. ASTER Users Guide (version3.0), January 2001.
ERSDAC Earth Remote Sensing Data. Japan.
Ins Magdalena DI TOMMASO Licenciada en Ciencias Geolgicas de la
Universidad de Buenos Aires, desde 1994 integra el Sector Sensores
Remotos y Sistema de Informacin Geogrfico del SEGEMAR. A partir del
ao 2000 forma parte de la contraparte Argentina del Proyecto
GEOSAT-AR convenio signado entre la JICA (Agencia Internacional de
Cooperacin del Japn) y el SEGEMAR para el estudio de diferentes
reas predeterminadas de la Repblica Argentina con el sensor ASTER,
para la realizacin del mapeo geolgico y la bsqueda de reas de
inters minero.
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