6: Infraestructura Nacional de Datos Espaciales I

David DiBiase

6.1. Descripción general

Los capítulos 6 y 7 consideran los orígenes y características de los temas de datos marco que conforman la Infraestructura Nacional de Datos Espaciales (NSDI) propuesta por Estados Unidos. Los siete temas incluyen control geodésico, ortoimágenes, elevación, transporte, hidrografía, unidades gubernamentales (límites administrativos) y catastrales (límites de propiedad). La mayoría de los datos del marco, como los mapas topográficos impresos que los precedieron, se derivan directa o indirectamente de imágenes aéreas. El capítulo 6 introduce el campo de la fotogrametría, que se ocupa de la producción de datos geográficos a partir de imágenes aéreas. El capítulo comienza considerando la naturaleza y el estatus del NSDI de Estados Unidos en comparación con otros programas nacionales de mapeo. Considera los orígenes y características de los temas de control geodésico y ortoimágenes. Los cinco temas restantes son el tema del Capítulo 7.

6.2. Lista de comprobación

La siguiente lista de verificación es para estudiantes de Penn State que están registrados para clases en las que se les ha asignado este texto, así como cuestionarios y proyectos asociados en el sistema de gestión de cursos ANGEL. Puede resultarle útil imprimir primero esta página para que pueda seguir las instrucciones.

6.3. Estrategias Nacionales de Información Geográfica

En 1998 Ian Masser publicó un estudio comparativo de las estrategias nacionales de información geográfica de cuatro países desarrollados: Gran Bretaña (Inglaterra y Gales), Países Bajos, Australia y Estados Unidos Masser construido sobre trabajos anteriores que encontraron que países con niveles relativamente bajos de disponibilidad de datos digitales y la difusión de SIG también tendió a ser países donde se había producido una fragmentación de las fuentes de datos ante la falta de coordinación del gobierno central o local” (p. ix). Comparando sus cuatro estudios de caso en relación con los siete temas marco identificados para el NSDI de Estados Unidos, Masser encontró diferencias considerables en la disponibilidad de datos, precios y protecciones de propiedad intelectual. Las diferencias en la disponibilidad de los datos básicos, encontró, se explican por las formas en que las responsabilidades de mapeo y registro de títulos de propiedad se distribuyen entre los gobiernos nacionales, estatales y locales de cada país.

En la siguiente tabla se resumen esas distribuciones de responsabilidades.

Distribución de responsabilidades entre diferentes niveles de gobierno (Masser, 1998).

El análisis de Masser ayuda a explicar lo que los profesionales geoespaciales en Estados Unidos han sabido desde hace mucho tiempo: que la cobertura de los datos de f ramework en Estados Unidos es incompleta o fragmentada porque miles de gobiernos locales son responsables de la cartografía a gran escala y el registro de títulos de tierras, y porque estos las actividades tienden a estar mal coordinadas. Por el contrario, la cobertura de datos centrales es más o menos completa en Australia, los Países Bajos y Gran Bretaña, donde los gobiernos central y estatal tienen autoridad sobre la cartografía a gran escala y el registro de títulos de tierras.

Otras diferencias entre los cuatro países se relacionan con las tarifas cobradas por los gobiernos para utilizar los datos geográficos y estadísticos que producen, así como las protecciones de derechos de autor que afirman sobre los datos. Las agencias del gobierno federal de Estados Unidos, señala Masser, difieren de sus contrapartes al cobrar no más que el costo de reproducir sus datos en formas adecuadas para su entrega a los clientes. Sin embargo, las políticas de gobierno estatal y local en Estados Unidos varían considerablemente. Persisten debates de larga data en Estados Unidos sobre la viabilidad y ética de recuperar los costos asociados a los datos públicos.

Estados Unidos también difiere marcadamente de Gran Bretaña y Australia en lo que respecta a la protección de los derechos de autor. La mayoría de los datos publicados por el Servicio Geológico de los Estados Unidos o la Oficina del Censo de los Estados Unidos residen en el dominio público y pueden usarse sin restricciones. Por el contrario, los datos de la Encuesta de Ordnance del Reino Unido están protegidos por derechos de autor de Crown y están disponibles para su uso por otros a cambio de tarifas y bajo los términos de acuerdos de licencia restrictivos. Una consecuencia de la decisión del gobierno federal de liberar sus datos geoespaciales al dominio público, algunos han argumentado, fue el surgimiento temprano de una vigorosa industria geoespacial en Estados Unidos.

6.4. Datos Legados: Mapas Topográficos del USGS

Los especialistas en información geográfica reconocen dos amplias clases funcionales de mapas, mapas de referencia y mapas temáticos. Como recordarás del Capítulo 3, un mapa temático generalmente se hace con un propósito particular en mente. A menudo, la intención es hacer un punto sobre el patrón espacial de un solo fenómeno. Los mapas de referencia, por otro lado, están diseñados para servir a muchos propósitos diferentes. Al igual que un libro de referencia, como un diccionario, enciclopedia o nomenclátor, los mapas de referencia ayudan a las personas a buscar hechos. Los usos comunes de los mapas de referencia incluyen localizar nombres de lugares y entidades, estimar distancias, direcciones y áreas, y determinar rutas preferidas desde los puntos de partida hasta un destino. Los mapas de referencia también se utilizan como mapas base sobre los cuales se pueden compilar datos geográficos adicionales. Debido a que los mapas de referencia sirven para diversos usos, suelen incluir un mayor número y variedad de símbolos y nombres que los mapas temáticos. La porción del mapa topográfico del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) que se muestra a continuación es un buen ejemplo.

Un mapa de referencia típico. Una porción de un mapa cuadrilátero topográfico del USGS (USGS, 1971)

El término topografía deriva del griego topografhein, “para describir un lugar”. Los mapas topográficos muestran, y nombran, muchas de las características visibles del paisaje, así como los límites políticos y administrativos. Las series de mapas topográficos proporcionan mapas base de escala uniforme, contenido y precisión (más o menos) para territorios enteros. Muchos gobiernos nacionales incluyen agencias encargadas de desarrollar y mantener series de mapas topográficos para una variedad de usos, desde el manejo de los recursos naturales hasta la defensa nacional. Los países ricos, los países con recursos naturales especialmente valiosos y los países con ejércitos grandes o inusualmente activos, tienden a ser mapeados más completamente que otros.

El mapeo sistemático de todo Estados Unidos comenzó en 1879, cuando se estableció el Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). Durante el siglo siguiente, el USGS y sus socios crearon series de mapas topográficos a varias escalas, entre ellas 1:250 ,000, 1:100 ,000, 1:63 ,360 y 1:24 ,000. El siguiente diagrama ilustra las extensiones relativas de las diferentes series de mapas. Dado que gran parte de los datos de mapas digitales actuales se digitalizaron a partir de estos mapas topográficos, uno de los desafíos de crear una cobertura digital continua de todo Estados Unidos es unir todas estas hojas de mapas separadas.

Ampliaciones relativas de las varias series de mapas cuadriláteros del USGS. (Thompson, 1988).

Las hojas de mapa en la serie a escala 1:24 ,000 se conocen como cuadriláteros o simplemente cuádriceps. Un cuadriángulo es un polígono de cuatro lados. Aunque cada quad 1:24 ,000 cubre 7.5 minutos de longitud por 7.5 minutos de latitud, sus formas y cobertura de área varían. El área cubierta por los mapas de 7.5 minutos varía de 49 a 71 millas cuadradas (126 a 183 kilómetros cuadrados), debido a que la longitud de un grado de longitud varía con la latitud.

Topógrafo compilando mapa topográfico usando una tabla plana y alidade (NOAA, 2007).

A lo largo de la década de 1940, los topógrafos en el campo recopilaron a mano los datos representados en mapas topográficos. Anson (2002) recuerda haber sido equipado con una mesa de rastreo de 14 pulgadas x 14 pulgadas y un trípode, además de una alidade [un telescopio de 12 pulgadas montado sobre una regla de latón], una varilla de estadios plegable de 13 pies, un machete y una cantina... (p. 1). Equipos de topógrafos dibujaron arroyos, costas y otras características del agua; carreteras, estructuras y otras características del entorno construido; contornos de elevación y muchas otras características. Para asegurar la precisión geométrica, sus bocetos se basaron en el control geodésico proporcionado por los topógrafos, así como las posiciones y elevaciones de puntos que ellos mismos encuestaron utilizando alidades y varillas. Dependiendo del terreno, una sola hoja cuádruple de 7.5 minutos puede tardar semanas o meses en compilarse. En la década de 1950, sin embargo, los métodos fotogramétricos que involucraban estereoplotters que permitieron a los topógrafos realizar mediciones estereoscópicas precisas directamente a partir de pares superpuestos de fotografías aéreas proporcionaron una alternativa viable y más eficiente al mapeo de campo. Consideraremos la fotogrametría con mayor detalle más adelante en este capítulo.

Para 1992 se completó la serie de más de 53,000 mapas de cuadriláteros separados que cubren los 48 estados inferiores, Hawai y los territorios de Estados Unidos a escala 1:24 ,000, con un costo total estimado de $2 mil millones. Sin embargo, a finales de siglo la edad promedio de cuadriláteros de 7,5 minutos era superior a los 20 años, y las consignaciones presupuestarias federales limitaban las revisiones a solo 1,500 quads anuales (Moore, 2000). A medida que el cambio de paisaje ha superado las revisiones en muchas áreas de Estados Unidos, la serie de mapas topográficos del USGS se ha convertido en datos heredados desactualizados en términos de formato y contenido.

6.5. Estándares de precisión

Los errores y la incertidumbre son inherentes a los datos geográficos. A pesar de los mejores esfuerzos de la División de Mapeo del USGS y sus contratistas, los mapas topográficos incluyen características que están fuera de lugar, características que se nombran o simbolizan incorrectamente, y características que están desactualizadas.

Como se discutió en el Capítulo 2, se garantiza que la precisión de ubicación de las entidades espaciales codificadas en los mapas y datos topográficos del USGS se ajustan a las Normas Nacionales de Precisión de Mapas. El estándar para mapas topográficos establece que las posiciones horizontales del 90 por ciento de los puntos bien definidos probados ocurrirán dentro de 0.02 pulgadas (distancia del mapa) de sus posiciones reales. De manera similar, las posiciones verticales del 90 por ciento de los puntos bien definidos probados deben ser fieles a la mitad del intervalo de contorno. Ambos estándares, recuerden, son dependientes de la escala.

No existen estándares objetivos para la precisión de los atributos asociados a las entidades geográficas. Sin embargo, los errores de atributo ciertamente ocurren. Un cronista del programa nacional de cartografía (Thompson, 1988, p. 106) recuerda a un usuario preocupado que se quejó ante el USGS de que “Mi fe en la precisión del mapa recibió una sacudida cuando señalé que en el mapa el reservorio de agua del municipio se muestra como una planta de tratamiento de aguas residuales”.

El paso del tiempo es quizás la fuente más problemática de errores en los mapas topográficos. Como se mencionó en la página anterior, la edad promedio de los mapas topográficos del USGS es mayor de 20 años. Los datos geográficos pierden valor rápidamente (excepto los análisis históricos) a menos que se revisen continuamente. La secuencia de fragmentos de mapa a continuación muestra la frecuencia con la que se requirieron revisiones entre 1949 y 1973 para el quad que cubre Key Largo, Florida. Las revisiones se basan principalmente en datos geográficos producidos por la fotografía aérea.

Los datos geográficos pierden valor rápidamente si no se mantienen actualizados. (Thompson, 1988). Seleccione cada uno de los años para ver el mapa revisado. Nota: Es necesario tener instalado el reproductor Adobe Flash para poder ver e interactuar con esta ilustración. Puedes descargar Flash Player gratis en http://www.adobe.com/flash.

6.6. Mapas Topográficos escaneados

Muchos productos de datos digitales se han derivado de la serie de mapas topográficos del USGS. El más simple de estos productos son los Gráficos Ráster Digitales (DRG). Los DRG son imágenes ráster escaneadas de USGS 1:24 ,000 mapas topográficos. Los DRG son útiles como telones de fondo sobre los cuales se pueden superponer otros datos digitales. Por ejemplo, la precisión de un archivo vectorial que contiene líneas que representan lagos, ríos y arroyos podría verificarse para verificar su integridad y precisión trazándolo sobre un DRG.

Porción de un gráfico ráster digital (DRG) para Bushkill, PA

Los DRG se crean escaneando mapas en papel con una resolución de 250 píxeles por pulgada. Dado que a 1:24 ,000 1 pulgada en el mapa representa 2,000 pies en el suelo, cada píxel DRG corresponde a un área de aproximadamente 8 pies (2.4 metros) en un lado. Cada píxel está asociado con un único atributo: un número del 0 al 12. Los números representan los 13 colores DRG estándar.

Porción ampliada de un gráfico ráster digital (DRG) para Bushkill, PA

Al igual que los mapas en papel de los que se escanean, los DRG cumplen con los estándares nacionales de precisión de mapas. Un subconjunto de los más de 50,000 DRG que cubren los 48 estados inferiores han sido muestreados y probados para verificar su integridad y precisión posicional.

Los DRG se ajustan a la proyección Universal Transversal Mercator utilizada en la zona UTM local. Las imágenes escaneadas se transforman a la proyección UTM haciendo coincidir las posiciones de 16 puntos de control. Al igual que los mapas topográficos cuadriláteros, todos los DRG dentro de una zona UTM se pueden unir para formar un mosaico después de que se eliminen los “collares” del mapa.

Para investigar los DRG con mayor profundidad, visite el sitio web de USGS Topomaps o busque en Internet en “USGS Digital Raster Graphics”

6.7. Comité Federal de Datos Geográficos

Incluso antes de que el USGS completara su serie de cuadriláteros de 7.5 minutos a nivel nacional, el gobierno federal de Estados Unidos había comenzado a repensar y reorganizar su programa nacional de mapeo. En 1990 la Oficina de Administración y Presupuesto de Estados Unidos emitió la Circular A-16, que estableció el Comité Federal de Datos Geográficos (FGDC) como el organismo coordinador interinstitucional encargado de facilitar la cooperación entre las agencias federales cuyas misiones incluyen producir y utilizar datos geoespaciales. El FGDC está presidido por el Departamento de Gobernación, y es administrado por el USGS.

En 1994, la Orden Ejecutiva 12906 del presidente Bill Clinton encargó al FGDC coordinar los esfuerzos de agencias gubernamentales y firmas del sector privado que conduzcan a una Infraestructura Nacional de Datos Espaciales (NSDI). La Orden definió NSDI como “la tecnología, políticas, estándares y recursos humanos necesarios para adquirir, procesar, almacenar, distribuir y mejorar la utilización de los datos geoespaciales” (Casa Blanca, 1994). Llamó al FGDC a establecer un Centro Nacional de Intercambio de Información Geoespacial, ordenó a las agencias federales que pusieran sus productos de datos geoespaciales a disposición del público a través del Centro de Intercambio de Información, y requirió que documentaran los datos en un formato estándar que facilitara la búsqueda en Internet. Se requirió que las agencias produjeran y distribuyeran datos de acuerdo con las normas establecidas por FGDC. (Quedaron exentos de la orden los Departamentos de Defensa y Energía, al igual que la Agencia Central de Inteligencia.)

Por último, la Orden encargó a FGDC la elaboración de un plan de implementación de un Marco Nacional de Datos Geoespaciales Digitales, la “columna vertebral de datos del NSDI” (FGDC, 1997, p. v). A continuación se enumeran los siete temas de datos básicos que componen el Marco NSDI, junto con las agencias gubernamentales que tienen la responsabilidad principal de crear y mantener cada tema. Más adelante en este capítulo, y en el que sigue, investigaremos uno por uno los temas del framework.

Siete temas de datos que conforman el Marco NSDI y los organismos gubernamentales responsables de cada uno.

6.8. Mapa Nacional del USGS

La Orden Ejecutiva 12906 decretó que un designado del Secretario del Departamento de Gobernación presidiría el Comité Federal de Datos Geográficos. El USGS, una agencia del Departamento del Interior, tiene la responsabilidad principal de tres de los siete temas marco del NSDI: ortoimágenes, elevación e hidrografía, y responsabilidad secundaria de varios otros. En 2001, el USGS anunció su visión de un Mapa Nacional que “se alinea con los objetivos de, y es una de varias actividades del USGS que contribuyen a, la Infraestructura Nacional de Datos Espaciales” (USGS, 2001, p. 31). Un informe de 2002 del Consejo Nacional de Investigaciones identificó al Mapa Nacional como la iniciativa más importante de la Disciplina Geografía de USGS en el USGS (NRC, 2002). Reconociendo su papel unificador en todas sus disciplinas científicas, USGS trasladó la responsabilidad de gestión del Mapa Nacional de Geografía a la Oficina de Información Geoespacial del USGS en 2004. (Una razón por la que el término “geoespacial” se usa en el USGS y en otros lugares es para evitar la asociación de SIG con una disciplina particular, es decir, Geografía.)

En 2001, el USGS imaginó el Mapa Nacional como el mapa topográfico de la Nación para el Siglo XXI (USGS, 2001, p.1). Las mejoras sobre la serie de mapas topográficos originales incluían:

Características del Mapa Nacional (USGS, 2001, p. 11-13.)

A partir de 2008, la ambiciosa visión de USGS aún no se ha realizado del todo. En la medida en que depende de la cooperación de muchos organismos gubernamentales federales, estatales y locales, la visión tal vez nunca se logre plenamente. Aún así, existen elementos de un Mapa Nacional, incluidos temas de datos nacionales, tecnologías de acceso y difusión de datos como el portal Geoespacial One Stop y el visor de mapas nacionales, y el Atlas Nacional de Estados Unidos. Se ha establecido un nuevo Centro de Excelencia para la Ciencia de la Información Geoespacial (CEGIS) bajo la Oficina de Información Geoespacial del USGS para llevar a cabo la investigación básica de GIScience necesaria para diseñar e implementar herramientas avanzadas que hagan que el Mapa Nacional sea más valioso para los usuarios finales.

Los temas de datos incluidos en el Mapa Nacional se muestran en la siguiente tabla, en comparación con los temas del marco del NSDI esbozados anteriormente en este capítulo. Como ve, los temas del Mapa Nacional se alinean con cinco de los siete temas marco, pero no incluyen el control geodésico y los datos catastrales. Además, el Mapa Nacional agrega cobertura del suelo y nombres geográficos, los cuales no se incluyen entre los temas del marco del NSDI. Dado el papel de liderazgo de USGS en FGDC, ¿por qué los temas del Mapa Nacional se desvían del marco del NSDI? De acuerdo con el Comité de Prioridades de Investigación para el Centro de Excelencia para la Ciencia Geoespacial del USGS, “estos temas fueron seleccionados porque el USGS está autorizado para proporcionarlos si no hay otras fuentes disponibles, y [porque] típicamente comprenden la información retratada en los mapas topográficos del USGS (NRC, 2007, p. 31).

Comparación de temas de datos incluidos en el Mapa Nacional y marco NSDI.

Las siguientes secciones de este capítulo, y la que sigue, describirán la derivación, características y estatus de los siete temas del NSDI en relación con el Mapa Nacional. El Capítulo 8, Datos de Imagen Detectados Remotamente, incluirá una descripción del programa de Datos Nacionales de Cobertura Terrestre que proporciona el tema de cobertura terrestre del Mapa Nacional. Los estudiantes registrados utilizaron el Sistema de Información de Nombres de Información Geográfica del USGS para una asignación de proyecto.

6.9. Tema: Control geodésico

En Estados Unidos, el Servicio Nacional de Geodésico (NGS) mantiene una red nacional de control geodésico llamada Sistema Nacional de Referencia Espacial (NSRS). El NSRS incluye aproximadamente 300,000 puntos de control horizontales y 600,000 verticales (Doyle, 1994). Se necesitan redes de control de alta precisión para proyectos de mapeo que abarcan grandes áreas; para diseñar y mantener corredores de transporte interestatales incluyendo carreteras, ductos y líneas de transmisión; y para monitorear movimientos tectónicos de la corteza terrestre y cambios en el nivel del mar, entre otras aplicaciones (FGDC, 1998 a).

Algunos puntos de control son más precisos que otros, dependiendo de los métodos utilizados por los topógrafos para establecerlos. La página del Capítulo 5 titulada “Control de encuestas” describe la clasificación de precisión adoptada en 1988 para los puntos de control en el NSRS. A medida que la tecnología GPS de grado geodésico se ha vuelto asequible para los topógrafos, las expectativas de precisión de la red de control han aumentado. En 1998, el Subcomité Federal de Control Geodésico del FGDC publicó un conjunto de Estándares de Precisión de Posicionamiento Geoespacial. Uno de ellos son los Estándares para Redes Geodésicas (FGDC, 1998a). La siguiente tabla presenta la clasificación de precisión más reciente para coordenadas horizontales y alturas (elipsoidales y ortométricas). Por ejemplo, la ubicación teóricamente infinitesimal de un punto de control horizontal clasificado como “1-Milímetro” debe tener una probabilidad del 95% de caer dentro de un “radio de incertidumbre” de 1 mm (FGDC, 1998b, 1-5).

Clasificación de precisión para redes de control geodésico (FGDC, 1998).

Si en el Capítulo 2 recuperó una hoja de datos de NGS para un punto de control, probablemente encontró que la precisión de su punto fue reportada en términos de la clasificación de 1988. Si el tuyo era un punto de control de “primer orden” (C), su clasificación de precisión es de 1 centímetro. Sin embargo, NGS planea actualizar el NSRS. Su plan estratégico a 10 años establece que “la latitud, longitud y altura geodésicas de los puntos utilizados para definir NSRS deben tener una precisión absoluta de 1 milímetro en cualquier momento” (NGS, 2007, 8).

6.10. Tema: Ortoimágenes

El Comité Federal de Datos Geográficos (FGDC, 1997, p. 18) define la ortoimagen como “una imagen georreferenciada preparada a partir de una fotografía aérea u otros datos de teledetección... [que] tiene las mismas propiedades métricas que un mapa y tiene una escala uniforme”. A diferencia de las ortoimágenes, la escala de las imágenes aéreas ordinarias varía a través de la imagen, debido a la elevación cambiante de la superficie del terreno (entre otras cosas). El proceso de creación de una ortoimagen a partir de una imagen aérea ordinaria se llama ortorrectificación. Los fotogrammetristas son los profesionales que se especializan en la creación de imágenes aéreas ortorrectificadas y en la compilación de datos vectoriales geométricamente precisos a partir de imágenes aéreas. Entonces, para apreciar los requisitos del tema de ortoimágenes del marco NSDI, primero necesitamos investigar el campo de la fotogrametría.

6.11. Fotogrametría

La fotogrametría es una profesión que se ocupa de producir mediciones precisas de objetos a partir de fotografías y fotoimágenes. Uno de los objetos medidos con mayor frecuencia por los fotogrammetristas es la superficie de la Tierra. Desde mediados del siglo XX, las imágenes aéreas han sido la principal fuente de datos utilizados por el USGS y agencias similares para crear y revisar mapas topográficos. Antes de eso, se compilaban mapas topográficos en el campo utilizando brújulas magnéticas, cintas, mesas planas (un tablero de dibujo montado en un trípode, equipado con un telescopio nivelador como un tránsito), e incluso barómetros para estimar la elevación a partir de los cambios en la presión del aire. Aunque los estudios de campo siguen siendo importantes para establecer el control horizontal y vertical, la fotogrametría ha mejorado enormemente la eficiencia y calidad del mapeo topográfico.

Una línea recta entre el centro de una lente y el centro de una escena visible se llama eje óptico. Una fotografía aérea vertical es una imagen de la superficie de la Tierra tomada desde arriba con una cámara orientada de tal manera que su eje óptico es vertical. Es decir, cuando una fotografía aérea vertical se expone a la luz reflejada desde la superficie de la Tierra, la lámina de película fotográfica (o una superficie de imagen digital) es paralela al suelo. Por el contrario, una imagen que podrías crear al tomar una imagen del suelo debajo mientras viajas en un avión se llama fotografía aérea oblicua, porque el eje óptico de la cámara forma un ángulo oblicuo con el suelo.

Una fotografía aérea vertical (Programa Nacional de Fotografía Aérea, 28 de junio de 1994).

La escala nominal de una foto aérea vertical es equivalente a f/H, donde f es la distancia focal de la cámara (la distancia entre la lente de la cámara y la película, generalmente seis pulgadas), y H es la altura de vuelo de la aeronave sobre el suelo. Es posible producir una foto de aire vertical de tal manera que la escala sea consistente a lo largo de la imagen. Esto sólo es posible, sin embargo, si el terreno en la escena es absolutamente plano. En raros casos en los que se cumpla esa condición, los mapas topográficos se pueden compilar directamente a partir de fotografías aéreas verticales. Sin embargo, la mayoría de las veces, las fotos de un terreno variable deben transformarse, o rectificarse, antes de que puedan usarse como fuente para mapear.

Las agencias gubernamentales en todos los niveles necesitan imágenes aéreas actualizadas. Los primeros esfuerzos para patrocinar una cobertura completa y recurrente de Estados Unidos incluyeron el Programa Nacional de Fotografía Aérea, que reemplazó a un programa anterior de Fotografía Nacional de Alta Altitud en 1987. NAPP era un consorcio de agencias del gobierno federal que tenía como objetivo patrocinar conjuntamente la fotografía aérea vertical de todos los 48 estados inferiores cada siete años más o menos a una altitud de 20,000 pies, adecuada para producir mapas topográficos a escalas tan grandes como 1:5 ,000. Más recientemente, la NAPP ha sido eclipsada por otro consorcio llamado Programa Nacional de Imágenes Agrícolas. Según la estudiante Anne O'Connor (comunicación personal, primavera de 2004), quien representó a la Oficina del Censo en el consorcio

Las misiones de fotografía aérea implican capturar secuencias de imágenes superpuestas a lo largo de muchas rutas de vuelo paralelas. En la parte del mosaico fotográfico aéreo que se muestra a continuación, tenga en cuenta que las fotografías se superponen entre sí de extremo a extremo y de lado a lado. Esta superposición es necesaria para la visualización estereoscópica, que es la clave para rectificar fotografías de terreno variable. Se necesitan alrededor de 10 fotografías aéreas superpuestas tomadas a lo largo de dos rutas de vuelo adyacentes norte-sur para proporcionar cobertura estéreo para un cuadrilátero de 7.5 minutos.

Porción de un mosaico de fotografías aéreas verticales superpuestas. (Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, Servicio de Estabilización de Productos, n.d.).

6.12. Perspectiva y Planimetría

Para entender por qué los mapas topográficos no se pueden rastrear directamente de la mayoría de las fotografías aéreas verticales, primero hay que apreciar la diferencia entre perspectiva y planimetría. En una vista en perspectiva, todos los rayos de luz reflejados desde la superficie de la Tierra pasan a través de un solo punto en el centro de la lente de la cámara. Una vista planimétrica (en planta), por el contrario, parece como si cada posición en el suelo se estuviera viendo directamente desde arriba. La escala varía en las vistas en perspectiva. En las vistas en planta, la escala es consistente en todas partes (si pasamos por alto las variaciones en los mapas a pequeña escala debido a las proyecciones de mapas). Se dice que los mapas topográficos son planimétricamente correctos. También lo son los ortoimágenes. Las fotografías aéreas verticales no lo son, a menos que se tomen sobre terreno plano.

Como se discutió anteriormente, la escala de una fotografía aérea es en parte una función de la altura de vuelo. Así, las variaciones en la elevación provocan variaciones en la escala en las fotografías aéreas. Específicamente, cuanto mayor sea la elevación de un objeto, más lejos se desplazará el objeto de su posición real lejos del punto principal de la fotografía (el punto en la superficie del suelo que está directamente debajo de la lente de la cámara). Por el contrario, cuanto menor sea la elevación de un objeto, más se desplazará hacia el punto principal. Este efecto, llamado desplazamiento en relieve, se ilustra en el siguiente diagrama. Tenga en cuenta que el efecto aumenta con la distancia desde el punto principal.

El desplazamiento en relieve es una variación de escala en fotografías aéreas causada por variaciones en la elevación del terreno.

En la parte superior del diagrama anterior, los rayos de luz reflejados desde la superficie convergen sobre un solo punto en el centro de la lente de la cámara. El trapecio más pequeño debajo de la lente representa una lámina de película fotográfica. (La película en realidad se encuentra detrás de la lente, pero como la geometría de la luz incidente es simétrica, podemos minimizar la altura del diagrama mostrando una imagen especular de la película debajo de la lente.) Observe las cuatro marcas fiduciales triangulares a lo largo de los bordes de la película. Las marcas apuntan al punto principal de la fotografía, que corresponde con la ubicación en el suelo directamente debajo de la lente de la cámara en el momento de la exposición. La distorsión de escala es cero en el punto principal. Otras características que se muestran en la foto pueden desplazarse hacia o lejos del punto principal, dependiendo de la elevación de la superficie del terreno. El trapecio más grande representa la elevación promedio de la superficie del terreno dentro de una escena. En el lado izquierdo del diagrama, un punto en la superficie terrestre a una elevación superior a la media se desplaza hacia afuera, alejándose del punto principal y su ubicación real. En el lado derecho, otra ubicación a una elevación menor que la media se desplaza hacia el punto principal. A medida que aumenta la elevación del terreno, la altura de vuelo disminuye y la escala fotográfica aumenta A medida que disminuye la elevación del terreno, la altura de vuelo aumenta y la escala fotográfica disminuye

Compara el mapa y la fotografía a continuación. Ambos muestran el mismo gasoducto, que pasa por terreno montañoso. Anote la deformación de la ruta del ducto en la foto relativa a la forma de la ruta en el mapa topográfico. La deformación en la foto es causada por el desplazamiento del relieve. La foto no serviría bien por sí sola como fuente para el mapeo topográfico.

El desbroce del oleoducto aparece torcido en la fotografía debido al desplazamiento del relieve.

¿Aún confundido? Piénsalo de esta manera: donde la elevación del terreno es alta, el suelo está más cerca de la cámara aérea y la escala de fotos es un poco mayor que donde la elevación del terreno es menor. Aunque la altitud de la cámara es constante, el efecto del terreno ondulado es acercar y alejar. El efecto de la escala que varía de manera continua es distorsionar la geometría de la foto aérea. Este efecto se llama desplazamiento de relieve.

Las vistas en perspectiva distorsionadas se pueden transformar en vistas de plano a través de un proceso llamado rectificación. En una publicación en el Foro de Discusión durante la oferta de verano de 2001 de esta clase, el estudiante Joel Hamilton relató una manera muy incómoda de rectificar fotografías aéreas:

Hoy en día, las fotografías aéreas digitales se pueden rectificar de manera análoga (pero mucho menos desordenada), utilizando software fotogramétrico especializado que desplaza los píxeles de la imagen hacia o lejos del punto principal de cada foto en proporción a dos variables: la elevación del punto de la superficie de la Tierra en el ubicación que corresponde a cada píxel, y la distancia de cada píxel desde el punto principal de la foto.

Otra forma aún más sencilla de rectificar imágenes en perspectiva es ver pares de imágenes estereoscópicamente.

6.13. Estereoscopia

Si tienes visión normal o corregida en ambos ojos, tu visión del mundo es estereoscópica. Ver su entorno simultáneamente desde dos perspectivas ligeramente diferentes le permite estimar con mucha precisión qué objetos de su campo visual están más cerca y cuáles están más lejos. Conoces esta habilidad como percepción de profundidad.

Cuando fijas tu mirada sobre un objeto, la intersección de tus dos ejes ópticos en el objeto forma lo que se llama un ángulo paraláctico. En promedio, las personas pueden detectar cambios tan pequeños como 3 segundos en el ángulo paraláctico, una resolución angular que se compara bien con tránsitos y teodolitos. La agudeza de la percepción de profundidad humana es lo que hace posibles las mediciones fotogramétricas.

Su percepción de un entorno tridimensional se produce a partir de dos imágenes bidimensionales separadas. Las imágenes producidas por tus ojos son análogas a dos imágenes aéreas tomadas una tras otra a lo largo de una trayectoria de vuelo. Los objetos que aparecen en el área de superposición entre dos imágenes aéreas se ven desde dos perspectivas diferentes. Un par de imágenes aéreas verticales superpuestas se llama estereopair. Cuando se visualiza un estereopair de tal manera que cada ojo ve solo una imagen, es posible visualizar una imagen tridimensional del área de superposición.

En la siguiente página encontrarás un par de ejemplos de cómo se utiliza la estereoscopía para crear vistas planimétricamente correctas de la superficie de la Tierra. Si tienes gafas estéreo anaglifo (rojo/azul), podrás ver estéreo tú mismo. Primero, practiquemos la visualización de imágenes estéreo de anaglifo.

6.14. Rectificación por estereoscopía

Las imágenes aéreas deben transformarse de vistas en perspectiva a vistas de plano antes de que puedan usarse para trazar las entidades que aparecen en mapas topográficos, o para digitalizar entidades vectoriales en conjuntos de datos digitales. Una forma de lograr la transformación es a través de la visualización estereoscópica.

A continuación se muestran porciones de una fotografía aérea vertical y un mapa topográfico que muestran la misma área, una cresta sinclinal llamada “Little Mountain” en el río Susquehanna en el centro de Pensilvania. Un claro lineal, cortado para una línea eléctrica, aparece en ambos (resaltado en amarillo en el mapa). El claro aparece torcido en la fotografía debido al desplazamiento del relieve. Sin embargo, sabemos que se utilizó una imagen aérea como esta para compilar el mapa topográfico. La foto aérea tuvo que haber sido rectificada para ser utilizada como fuente de cartografía topográfica.

La deformación de la limpieza de la línea eléctrica que se muestra en la foto de aire es causada por el desplazamiento del relieve. (USGS. “Cuadrángulo Este de Harrisburg, Pensilvania”)

A continuación se muestran porciones de dos fotografías aéreas que muestran a Little Mountain. Las dos fotos fueron tomadas de trayectorias de vuelo sucesivas. Las dos perspectivas se pueden utilizar para crear un estereopair.

Un estereopair: dos fotos aéreas de una misma zona tomadas desde diferentes puntos de vista.

A continuación, el estereopair se superpone en una imagen de anaglifo. Usando tus gafas rojas/azules, deberías poder ver una imagen tridimensional de Little Mountain en la que la línea eléctrica aparece recta, como lo haría si pudieras verla en persona. Observe que la altura de Little Mountain es exagerada debido a que la distancia entre los puntos principales de las dos fotos no es exactamente proporcional a la distancia entre tus ojos.

Imagen estéreo de anaglifo (rojo/azul) que fusiona el estereopair mostrado en la figura anterior. Cuando se ve con un filtro rojo sobre el ojo izquierdo y un filtro cian (azul) sobre el ojo derecho, se forma una imagen esterescópica. Observe que el claro de línea eléctrica, que aparece torcido en ambas fotos aéreas, aparece recto en la imagen estereoscópica. (USGS. “Cuadrángulo Este de Harrisburg, Pensilvania”)

Vamos a intentarlo de nuevo. Necesitamos asegurarnos de que pueda visualizar cómo la visualización estereoscópica transforma las fotografías aéreas superpuestas de las vistas en perspectiva en vistas planimétricas. La fotografía aérea y las porciones del mapa topográfico a continuación muestran las mismas características, una línea eléctrica que despeja cruzando el arroyo Sinnemahoning en el centro de Pensilvania. La línea eléctrica parece doblarse a medida que desciende al arroyo debido al desplazamiento de relieve.

La deformación de la limpieza de la línea eléctrica que se muestra en la foto de aire es causada por el desplazamiento del relieve. (USGS. “Cuadrángulo Keating, Pensilvania”).

Dos fotografías aéreas de una misma zona tomadas desde distintas perspectivas constituyen un par estéreo.

Un estereopair, dos fotos aéreas de una misma zona tomadas desde diferentes puntos de vista.

Al ver las dos fotografías estereoscópicamente, podemos transformarlas de vistas bidimensionales en perspectiva a una única vista tridimensional en la que se han eliminado las distorsiones geométricas provocadas por el desplazamiento del relieve.

La deformación causada por el desplazamiento del relieve se rectifica cuando las fotos de aire se ven en estéreo. (USGS. “Cuadrángulo Keating, Pensilvania”).

Los fotogrammetristas utilizan instrumentos llamados estereoplotters para trazar, o compilar, los datos que se muestran en los mapas topográficos a partir de imágenes estereoscópicas como las que has visto aquí. El operador que se muestra a continuación está viendo un modelo estereoscópico similar al que ve cuando ve las imágenes estéreo del anaglifo con gafas rojas/azules. Un estereopair se superpone en la pantalla derecha de la estación de trabajo del operador. La pantalla de la izquierda muestra cuadros de diálogo y ventanas de comandos a través de las cuales controla el software estereoplotter. En lugar de gafas rojas/azules, la operadora lleva gafas con filtros de lentes polarizadas que le permiten visualizar una imagen tridimensional del terreno. Maneja un ratón 3-D que le permite colocar un cursor sobre la imagen del terreno a centímetros de su posición horizontal y vertical real.

Merri MacKay (egresado del Programa Penn State Certificate Program en GIS y empleado de BAE Systems ADR), utiliza un estereoplotter analítico para digitalizar posiciones verticales y horizontales a partir de un modelo estereoscópico. Foto circa 1998, utilizada con permiso de la Sra. MacKay y ADR, Inc. Cuando se encontró con su foto de estudiante en la clase en 2004, Merri escribió “Ahora tengo el pelo corto y cuatro nietos...”

6.15. Ortorrectificación

Una ortoimagen (u ortofoto) es una sola imagen aérea en la que se han eliminado las distorsiones causadas por el desplazamiento del relieve. La escala de una ortoimagen es uniforme. Como un mapa planimétricamente correcto, las ortoimágenes representan escenas como si cada punto fuera visto simultáneamente desde arriba. Es decir, como si cada eje óptico fuera ortogonal a la superficie del suelo. Observe cómo se ha enderezado el despeje de la línea eléctrica en la ortofoto de abajo a la derecha.

Comparación de una fotografía aérea vertical (izquierda) y una ortofoto.

El desplazamiento del relieve es causado por diferencias en la elevación. Si se conoce la elevación de la superficie del terreno a lo largo de una escena, se puede rectificar la distorsión geométrica que provoca. Dado que la fotogrametría se puede utilizar para medir posiciones tanto verticales como horizontales, se puede usar para crear una colección de posiciones verticales llamada modelo de terreno. Los procedimientos automatizados para transformar fotos aéreas verticales en ortofotos requieren modelos digitales de terreno.

Desde principios de la década de 1990, las ortofotos se han utilizado comúnmente como fuentes para la edición y revisión de datos vectoriales digitales.

6.16. Metadatos

A través del resto de este Capítulo y del siguiente, investigaremos los productos de datos particulares que comprenden los temas de marco de la Infraestructura Nacional de Datos Espaciales (NSDI) de Estados Unidos. El formato que utilizaré para discutir estos productos de datos refleja el estándar de Metadatos del Comité Federal de Datos Geográficos (FGDC, 1998c). Metadatos son datos sobre datos. Se utiliza para documentar el contenido, la calidad, el formato, la propiedad y el linaje de los conjuntos de datos individuales. Como le gusta señalar al FGDC, el ejemplo más familiar de metadatos es el panel “Nutrition Facts” impreso en etiquetas de alimentos y bebidas en Estados Unidos. Los metadatos también proporcionan las palabras clave necesarias para buscar datos disponibles en centros de intercambio de información especializados y en la World Wide Web.

Algunos de los encabezados clave incluidos en el estándar de metadatos FGDC incluyen:

1. Información de identificación: Quién creó los datos, una breve descripción de su contenido, forma y propósito; su estado, extensión espacial y restricciones de uso;
2. Información de Calidad de Datos: Precisión e integridad de los atributos, posiciones horizontales y verticales, fuentes y procedimientos utilizados para crear los datos;
3. Información de referencia espacial: Proyección y/o sistema de coordenadas; datum y elipsoide;
4. Información de Entidades y Atributos: Categorías de entidad y atributo utilizadas; y
5. Información de distribución: Disponibilidad, y cómo adquirir los datos.

El Estándar de Contenido de FGDC para Metadatos Geoespaciales Digitales se publica aquí. Los profesionales geoespaciales entienden el valor de los metadatos, saben encontrarlos y cómo interpretarlos.

6.17. Cuadrángulo Ortofoto Digital (DOQ)

6.18. Resumen

Muchas agencias gubernamentales locales, estatales y federales producen y dependen de datos geográficos para respaldar sus operaciones diarias. La Infraestructura Nacional de Datos Espaciales (NSDI) está destinada a fomentar la cooperación entre agencias para reducir costos e incrementar la calidad y disponibilidad de datos públicos en Estados Unidos. Los componentes clave de NSDI incluyen estándares, metadatos, datos, un centro de intercambio de información para la difusión de datos y asociaciones. Los siete temas de datos marco han sido descritos como “la columna vertebral de datos del NSDI” (FGDC, 1997, p. v). Este capítulo y el siguiente revisan los orígenes, características y estatus de los temas marco. En comparación con algunos otros países desarrollados, los datos marco son fragmentarios en Estados Unidos, en gran parte porque las actividades de mapeo en diversos niveles de gobierno permanecen inadecuadamente coordinadas.

El capítulo 6 considera dos de los siete temas marco: el control geodésico y la ortoimagen. Se analiza el impacto del posicionamiento satelital de alta precisión en los estándares de precisión para el Sistema Nacional de Referencia Espacial, las redes de control horizontal y vertical de Estados Unidos. El capítulo destaca el hecho de que gran parte de los datos marco se derivan, directa o indirectamente, de imágenes aéreas. Los profesionales geoespaciales entienden cómo los fotogrammetristas compilan datos vectoriales planimétricamente correctos mediante el análisis estereoscópico de imágenes aéreas. También entienden cómo se producen y utilizan ortoimágenes para ayudar a mantener actualizados los datos vectoriales, entre otros usos.

El intento más ambicioso de implementar una colección nacional de datos marco es el Mapa Nacional de USGS. Compuesto por algunos de los productos de datos digitales descritos en este capítulo y los que siguen, el Mapa Nacional propuesto incluye ortoimágenes digitales de alta resolución (1 m), datos digitales de elevación de resolución variable (10-30 m), transporte vectorial, hidrografía y límites, tierra de resolución media (30 m) datos de caracterización derivados de imágenes satelitales y nombres geográficos. Estos datos deben ser sin fisuras (a diferencia de las más de 50,000 hojas que componen la serie de cuadriláteros topográficos de 7.5 minutos) y se actualizarán continuamente. En tanto, en 2005, USGS anunció que dos de sus tres Centros Nacionales de Mapeo (en Reston, Virginia y Rolla, Missouri) serían cerrados, y se eliminarían más de 300 empleos. Si bien el financiamiento para el centro Rolla fue posteriormente restaurado por el Congreso, queda por ver si el USGS contará con los recursos suficientes para cumplir con su búsqueda de un Mapa Nacional.

6.19. Bibliografía

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