Análisis de la calidad de la red de puntos de apoyo de la Junta de Andalucía. Idoneidad para su aplicación en producción de ortofotografía

Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 281 Moreno Vergara, G., López Flores, J. y Zamorano Páez, M.D. (2010): Análisis de la calidad de la red de puntos de apoyo de la Junta de Andalucía. Idoneidad para su aplicación en producción de ortofotografía. En: Ojeda, J., Pita, M.F. y Vallejo, I. (Eds.), Tecnologías de la Información Geográfica: La Información Geográfica al servicio de los ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla. Pp. 281-295. ISBN: 978-84-472-1294-1 ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE LA RED DE PUNTOS DE APOYO DE LA JUNTA DE ANDALUCÍA. IDONEIDAD PARA SU APLICACIÓN EN PRODUCCIÓN DE ORTOFOTOGRAFÍA. Gonzalo Moreno Vergara(1), Joaquín López Flores(2), Mª Dolores Zamorano Páez(2) (1) Instituto de Cartografía de Andalucía. Junta de Andalucía. C/. San Gregorio 7, 41004 – SEVILLA. [email protected] (2) Tecnologías y Servicios Agrarios S.A., C/ Parsi 5, S/N – 41016 – SEVILLA. [email protected], RESUMEN Actualmente la producción de ortofotografías se basa en procedimientos que comprenden tareas altamente automatizadas, hecho que ha permitido una reducción de plazos y costes en la obtención de estos productos. De igual forma ha contribuido a dicha reducción la disponibilidad de información de partida obtenida en proyectos anteriores, especialmente para las fases Apoyo de Campo y Modelo Digital del Terreno. El propósito de este estudio ha sido la evaluación de la calidad posicional de la Red de Puntos de Apoyo de Andalucía (RPA), constituida por una base de puntos medidos sobre el terreno a lo largo de diversas campañas de producción cartográfica. Como objetivo de este análisis se pretende categorizar en función de su idoneidad esta información, para su utilización en posteriores proyectos que requieran apoyo topográfico. En este artículo se describe la metodología establecida: Un diagnóstico de la idoneidad de la RPA para su posterior reutilización, mediante el establecimiento de diversos criterios y el análisis de información en función de los mismos. En una segunda fase, con la ejecución de remediciones sobre el terreno y posterior validación estadística de los datos, se ha evaluado la exactitud y calidad posicional de los puntos que han superado los diferentes criterios de aceptación. Palabras clave: puntos de apoyo, apoyo topográfico, ortofotografía, calidad posicional, exactitud. ABSTRACT Nowadays, the production of orthophotos is based on procedures that include highly automated tasks, which has led to a reduction in time and cost in obtaining these products. Likewise, it has contributed to this reduction the availability of baseline information obtained in previous projects, especially for Field Support and Digital Terrain Model phases. The purpose of this study was to evaluate the positional quality of the Control Points Network of Andalusia (RPA), consisting of a base of measured field points along different production mapping. The aim of this analysis is to categorize this information in terms of their suitability, to be used in subsequent projects which require topographic support. This article describes the methodology set: a diagnosis of the suitability of the RPA for reuse, by means of establishing different criteria and analysis of information based on them. In a second phase, with the implementation of on field remeasurements and subsequent statistical validation of data, it has been evaluated the positional accuracy and quality of points that have passed the different acceptance criteria. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 282 Key Words: control points, topographic support, orthophotography, positional quality, precision. INTRODUCCIÓN Los proyectos de producción de cartografía en la Comunidad Autónoma de Andalucía, han permitido disponer de una base de puntos medidos sobre el terreno recopilada a lo largo de los últimos años, conformada por distintos trabajos que han necesitado apoyo topográfico. La producción de ortofotografía digital, uno de los programas de trabajo de la Junta de Andalucía a través de distintas Consejerías, así como por la participación de la Comunidad Autónoma en programas de ámbito nacional como el Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA) ha contribuido de forma significativa a nutrir dicha red de puntos. El propósito general de este trabajo ha sido la evaluación de la calidad de estos datos que conforman la denominada “Red de Puntos de Apoyo de Andalucía” (RPA). Uno de los valores más significativos de esta información es la posibilidad de su utilización en posteriores proyectos con el consiguiente ahorro económico y en tiempo. No obstante la Red está conformada por información heterogénea obtenida en diversas campañas por distintas entidades. Consecuencia de lo anterior el objetivo final ha sido el desarrollo de una metodología de valoración de los datos que permita determinar tanto la calidad como actualización de la información contenida en la RPA, así como la idoneidad de la misma para su utilización en campañas posteriores del Programa de Ortofoto de Andalucía. Para ello se ha establecido una serie de controles y tareas de revisión a ejecutar, que nos permitan obtener unos valores objetivos y medibles de la calidad de estos datos, así como analizar la integridad de la información, para garantizar su validez en la utilización en otros proyectos. La información de partida ha sido una base de datos con una tabla que contiene más de 3400 registros de puntos de apoyo y una colección de ficheros en PDF con las correspondientes reseñas. Sobre toda esta información se han realizado diferentes análisis, los cuales se pueden dividir en dos fases principalmente: análisis y tratamiento de la información, y control posicional. En la primera se ha revisado y filtrado toda la información de partida con objeto de ofrecer datos íntegros y utilizables en procesos de aerotriangulación. La segunda fase ha consistido en un control posicional de una pequeña muestra del conjunto de datos filtrado con la finalidad de tener unas mínimas garantías sobre la exactitud de las coordenadas de los puntos. ZONA DE ESTUDIO Dado el objetivo del trabajo, la zona de estudio comprende el ámbito de la Comunidad Autónoma de Andalucía. No obstante, se pueden distinguir dos zonas de estudio, una para cada fase en las que se ha dividido del trabajo. En la fase de análisis y tratamiento de la información disponible en la Red de Puntos de Apoyo de Andalucía, la zona de trabajo abarca la totalidad de la extensión de la Comunidad Autónoma. En cambio, para la fase de control posicional, se ha seleccionado una zona de estudio que abarca parte de las provincias de Sevilla, Huelva y Córdoba, y que se corresponde con los bloques 1 y 4 del vuelo del cuadrante SW de Andalucía del año 2008, enmarcado en la participación de la Junta de Andalucía en el Plan Nacional de Ortofotografía Aérea. Las hojas del MTN50 contenidas en los bloques de vuelo mencionados anteriormente y que comprenden la zona en la que se ha llevado a cabo trabajos de campo son: 961, 962, 963, 964, 965, 966, 983, 984, 985, 986, 987, 988, 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006, 1018, 1019, 1020, 1021, 1022 y 1023. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 283 Figura 47. Zonas de estudio. En recuadro azul ámbito para fase de control posicional. Figura 2. Distribución de puntos original en la Red de Puntos de Apoyo de Andalucía Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 284 METODOLOGÍA Como se ha comentado anteriormente, el estudio se ha llevado a cabo en dos fases bien diferenciadas que han comprendido trabajos de campo en una de ellas, y trabajos de gabinete en ambas. En este apartado se relacionan y detallan las diferentes tareas realizadas en cada una de las etapas del trabajo. 1. Análisis y tratamiento de la información contenida en la RPA El objetivo general de esta fase del trabajo es el estudio y análisis de la idoneidad de la información contenida en la Red de Puntos de Apoyo de Andalucía. La RPA está compuesta por una base de datos que recoge toda la información de los puntos de apoyo topográfico recopilados en los últimos años en diversos proyectos de producción cartográfica, y una serie de documentos que recogen las reseñas de dichos puntos. Esta fase se ha basado en el análisis de la información contenida en la RPA mediante la evaluación de la documentación gráfica y alfanumérica y el tratamiento posterior, en base a dicho análisis, de los datos contenidos en la B.D. de puntos de apoyo. Mediante la comprobación y verificación de la información contenida en la base de datos y las reseñas, se han analizado posibles incongruencias en la información de los puntos, duplicidades, indeterminaciones, compleción de las reseñas, etc. Por otro lado se ha comprobado la estabilidad de los puntos, indefiniciones, carencias de información suficiente, con el objetivo de determinar la solidez y completitud de la información para utilización en el apoyo de futuros vuelos. Por último se ha llevado a cabo una verificación de la actualidad de los puntos mediante el análisis de la permanencia en el terreno de los mismos, utilizando como información de base la Ortofoto Expedita de Andalucía 2008-2009. En la siguiente figura se incluye un esquema del procedimiento seguido en el análisis y tratamiento de la información, con las revisiones llevadas a cabo y los criterios de filtrado aplicados. Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 285 Figura 3. Flujo de análisis y tratamiento de la información. Con el objetivo de mantener la información primitiva, la base de datos original se ha conservado con todos los registros, añadiendo nuevos campos a la misma para cada uno de ellos, en los que se ha ido marcando tras las distintas revisiones aquellos en los que no se cumplía alguno de los criterios de filtrado. El primer análisis llevado a cabo ha sido el cotejo de la coherencia entre los puntos presentes en la base de datos, y los de las reseñas. Para ello se ha verificado que cada registro posea su correspondiente reseña, hecho fundamental para disponer de información detallada sobre la ubicación exacta en la que se realizó la medición. En el caso contrario, es decir, aquellas reseñas que no presentan registro con el punto correspondiente en la base de datos, se han añadido como un nuevo registro a la tabla. A continuación se ha realizado una evaluación objetiva de la información gráfica de cada una de las reseñas. Entre los puntos analizados, se ha revisado que posean fotografía de campo del punto de apoyo, croquis y recorte de fotograma aéreo con el punto pinchado. Los resultados de esta revisión se han ido marcando en el campo correspondiente de la base de datos original. Criterios: - Sin coherencia ED50-ETRS89 - Repetidos Aplicación criterios filtrado Eliminación puntos BD filtrada BD final BD Apoyo original Verificación coherencia Reseñas Revisión según descripción Criterios: - Inestables - Mal definidos Revisión visual Criterios: - Foto de campo - Croquis - Recorte ortofoto Rev. coherencia coordenadas BD complementada Verificación de la permanencia en el terreno sobre ortofoto expedita 2008-2009 Supresión puntos no actuales - Inestables - Mal definidos - Sin reseña - Sin croquis ni foto de campo - Sin coherencia ED50-ETRS89 - Repetidos Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 286 Otro criterio aplicado es la inestabilidad del elemento en el que se realizado la medición del punto, o bien la indefinición del mismo. Para aplicar este criterio, se ha llevado a cabo una clasificación de los puntos como aceptables o no aceptables según la información contenida en el campo “Descripción” de la base de datos. Se consideran puntos no aceptables todos aquellos que pueden resultar inestables o mal definidos, por ejemplo, los correspondientes a matas, centros de árboles, marcas de pintura, picos de vegetación, etc. A menudo en campo se hacen mediciones sobre estos tipos de elementos porque no se localizan otros más deseables en la zona, pero al pretender su reutilización para el apoyo de vuelos futuros, se considera conveniente ceñirse sólo a los de mejor calidad y que ofrezcan mayor garantía. Los datos contenidos proceden de diferentes campañas de campo, por lo que otra incidencia presumible es la repetición de los mismos, habiéndose observado dos o más veces el mismo elemento. En estos casos el criterio aplicado para la supresión de estas duplicidades, ha sido mantener aquel que presente la reseña más completa, con indicaciones y aclaraciones sobre la identificación del punto en el terreno, y, como segundo criterio, el que pertenezca a una campaña más actual. El último análisis llevado a cabo antes de la aplicación de los filtros, se ha realizado con el objetivo de comprobar la coherencia entre las coordenadas en los sistemas de referencia ETRS89 y ED50 coordenadas en ambos sistemas incluidas tanto en la Base de datos original, como en las reseñas de los puntos. Según la metodología para la ejecución de este tipo de trabajos, las coordenadas originales del punto son tomadas en el sistema de referencia ETRS89, y posteriormente se transforman a ED50. La transformación ha debido de ser llevada a cabo con la rejilla sped2et.gsb, proporcionado por el Instituto Geográfico Nacional. Aquellos puntos en los que se han detectado incongruencias entre las coordenadas en ambos sistemas, se han indicado como puntos a eliminar, al no ofrecer solvencia suficiente para su utilización. Del análisis y verificación de coherencia entre la base de datos de partida y las reseñas junto con la información recopilada en los análisis descritos anteriormente, se ha obtenido una nueva base de datos complementada con los resultados de toda la información evaluada, y que ofrece datos de gran interés para todos los registros sobre la calidad de los puntos de apoyo. A partir de aquí, se ha realizado un tratamiento de los datos llevando a cabo un primer filtro en el que se han eliminado aquellos puntos que no cumplían al menos uno de los criterios de filtrado y análisis descritos anteriormente. De esta forma se obtiene una base datos de puntos que se ha denominado filtrada, y que contiene todos aquellos puntos que han permanecido tras la aplicación de los diversos criterios, por lo que se presuponen con una fiabilidad suficiente para su reutilización. Una vez se dispone de la base de datos filtrada, el último análisis llevado a cabo ha sido la verificación de la permanencia en el terreno de estos puntos. Para ello, se llevado a cabo un chequeo sobre la ortofotografía expedita de Andalucía 2008-2009 mediante la localización e identificación de los elementos medidos en el terreno. Esto ha permitido determinar puntos que o bien no permanecen en el terreno o se encuentran notablemente desplazados, puntos que han sido marcados para su supresión. Con el resultado de esta revisión se ha ejecutado un nuevo filtro con el que se ha obtenido la BD final. Todas las tablas obtenidas en los distintos procedimientos seguidos se agrupan en una única base de datos con distintas tablas que contienen los registros de los puntos que han permanecido tras los diversos filtrados. 2. Control de calidad posicional En una segunda fase del trabajo se ha llevado a cabo una evaluación de la calidad posicional y exactitud de los puntos contenidos en la RPA. Para ello se han realizado nuevas mediciones sobre el terreno de determinados puntos, y posteriormente se han llevado a cabo una serie de análisis mediante técnicas estadísticas para determinar la bondad de los datos. La población sobre la que se ha realizado el control posicional ha sido seleccionada de la base de datos final, una vez aplicados todos los criterios de filtrado de los puntos con incongruencias según lo descrito en el apartado anterior. Los puntos seleccionados se localizan en los bloques SW1 y SW4 del vuelo de Andalucía 2008 45cm para la producción de ortofotografía, en el marco del Plan Nacional de Ortofotografía Aérea (PNOA). Para seleccionar la muestra de esta población, se han considerado distintos criterios que aseguren la representatividad de los puntos seleccionados. Para ello se ha tenido en cuenta el tamaño de la muestra, la variabilidad en Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 287 los elementos sobre los que se han tomado los puntos, y la elección de puntos de todas las campañas de campo de las que se disponen en la RPA. Sobre todos los puntos de la muestra se ha realizado una nueva observación en campo. Para ello se han utilizado equipos GPS bifrecuencia y se ha utilizado como marco de referencia el definido por la Red Andaluza de Posicionamiento (RAP). La metodología de medición ha sido la empleada habitualmente para trabajos de apoyo; posicionamiento estático rápido con las siguientes condiciones de observación:  Líneas base < 20km.  Número de satélites ≥ 5.  PDOP < 6.  Máscara de elevación: 15º.  Tiempo de observación > 10 minutos.  Épocas registradas cada segundo. En aquellos casos en los que las estaciones de la RAP distan más de 20km de los puntos a medir, se ha colocado una base cercana al conjunto de puntos a visitar. Esta base permanece más de una hora observando (posicionamiento estático) y hace de enlace con la RAP. En la siguiente figura se observa este esquema de medición. Figura 4. Esquema de medición cuando los puntos distan más de 20km de las estaciones RAP. Se parte de la premisa de que la exactitud que cabe esperar de la nueva medición de los puntos es muy similar a la que se debió de obtener en su día cuando se realizaron las distintas campañas de medición ya que la metodología de observación que se viene empleando es similar a la que se ha indicado. Esta circunstancia se ha tenido en consideración al determinar el error en las coordenadas de la base de datos original. 22 originalrevisiondif ErrorErrorError    originalrevision ErrorError  2 2originaldif ErrorError  Estación RAP Estación base enlace 20k m Punto de a p o y o Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 288 2 dif original Error Error  El valor por debajo del cual se suele exigir que se encuentre el error medio cuadrático para este tipo de trabajos es:  RMSEplanimetría ≤ 10cm.  RMSEaltimetría ≤ 15cm. Los parámetros utilizados para evaluar la calidad posicional de los puntos se han tratado de forma diferente para planimetría y altimetría, ya que tanto el nivel de precisión como el comportamiento de los errores en ambas variables es diferente. Según el comportamiento de estas variables la distribución de los errores en el caso de la planimetría se asimila a una distribución Normal Circular, mientras que para la altimetría la distribución es Normal Unidimensional. Figura 5: Distribución normal: Circular y unidimensional Teniendo en cuenta lo anterior, las medidas utilizadas para evaluar la calidad posicional de los puntos a partir de las diferencias encontradas en las coordenadas se muestran a continuación.  Ratio de incertidumbres posicionales sobre una tolerancia. Se establece una tolerancia y se determina el porcentaje de puntos cuyo error es superior a la misma. Ésta se ha fijado multiplicando el error medio cuadrático exigido por el valor correspondiente de la distribución normal para que la probabilidad sea del 98%. Es decir, Toleranciaplanimetría = RMSEplanimetría *r98 = 0,10*2,8 =0,28 metros. Toleranciaaltimetría = RMSEaltimetría * z98 = 0,15*2,33 =0,35 metros. Donde: r98 = Radio de la normal circular para una probabilidad del 98%. Valor tabulado z98 = Valor tabulado en la normal dimensional Se ha determinado que esta medida de la calidad es conforme si el ratio es igual o menor al 2%.  Aplicación del test NSSDA (National Standard for Spatial Data Accuracy). En este test no se aplican tolerancias, sino que se determina la exactitud de los datos expresada en términos de error circular, para el caso de la planimetría, o lineal, para la componente altimétrica, con un 95% de nivel de confianza. (FGDC (1998). FGDC-STD-007: Geospatial Positioning Accuracy Standards, Part 3. National Standard for Spatial Data Accuracy. Federal Geographic Data Committee, Reston) Tecnologías de la Información Geográfica: la Información Geográfica al Servicio de los Ciudadanos. Secretariado de Publicaciones de la Universidad de Sevilla. Sevilla 2010 289 RESULTADOS 1. Análisis y tratamiento de la información contenida en la RPA En la siguiente tabla se resumen los principales resultados obtenidos tras el análisis llevado a cabo, una vez aplicados los criterios de filtrado sobre la base de datos original. Se han expresado a modo de porcentaje considerando el total de puntos que se tiene en la información de partida. Tabla 1. Resumen resultados primera parte de análisis de información. Tipo de deficiencia % Sin croquis 14,5 Sin foto de campo 86,3 Sin croquis ni foto 8,7 Sin reseña 1,5 Eliminado por descripción 17,2 Incoherencia ED50-ETRS89 2,6 Repetidos 2,3 En lo que se refiere a la reducción en cuanto al número de puntos, la Base de datos que contiene la RPA original cuenta con 3492 registros, que una vez eliminados según las carencias anteriores pasan a constituir 2459 registros, lo que supone una reducción de algo más de 1000 puntos. Esto se traduce en que el 28,6 % de los puntos originales no son aconsejables para su reutilización. Por último tras el análisis de la permanencia de los puntos sobre el terreno con el apoyo de la Ortofotografía Expedita de Andalucía 2008-2009, se han eliminado 106 puntos, que supone un 4,3% de los disponibles tras los criterios de filtrado, y un 3,03 % sobre el número de puntos original. La base de datos final de puntos disponibles para su utilización en proyectos posteriores consta de 2.353 registros o puntos reutilizables. En las siguientes figuras se muestran los puntos de la base de datos original, indicando cuales de ellos han permanecido tras los distintos análisis llevados a cabo descritos anteriormente, y la distribución del global de puntos eliminados de la base de datos inicial.