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Aplicaciones de la teledetección (LIDAR) en la caracterización láser y gestión del medio fluvial FERNANDO MAGDALENO MAS (*) y ROBERTO MARTÍNEZ ROMERO (**)

RESUMEN Las últimas técnicas de teledetección existentes en el mercado han abierto la posibilidad de introducir mejorasde encaracterización y gestión del medio fluvial. Es el caso de los sensores láser los trabajos transportados plataformas aéreas, cuyas desde innovaciones tecnológicas suponen un gran incremento de la resolución horizontal, y sobre todoyvertical, de las imágenes datos resultantes. Estas técnicas, conocidas con el nombre genérico (Light de Detection LiDAR and Ranging) están ya siendo empleadas en la actualidad en multitud de aplicaciones relacionadas con la ingeniería civil, la creación de cartografía especializada, o la gestión del medio natural. Sin embargo, hasta la fecha, existen escasas referencias sobre la utilización de esta herramienta en la caracterización y gestión del medio fluvial. Este artículo repasa las principales téc- la evolución sufrida por esta herramienta en los últimos años, y muy nicas de la características teledetección láser, especialmente las para aplicaciones que ofrece el manejo de los sistemas fluviales. Se exponen, además, ejemplos prácticos de utilización de losribereño, datos en diferentes tramos y cauces, algunos de ellos pertenecientes a la LiDAR en el medio cuenca del Ebro.

LIDAR APPLICATION IN THE CHARACTERIZATION AND MANAGEMENT OF FLUVIAL SYSTEMS

ABSTRACT Recent advances in remote sensing may improve the characterization and management of fluvial environments. This is specially the case of airborne laser. Tehnological innovation in these sensors have widely improved theresolution horizontal, and vertical of data and images extracted from them. These techniques, generally known as LiDAR (Light Detection and Ranging) are being nowadays used in many fields related to civil engineering, thematic mappingresources and natural management. However, up to date, there are very few references on the application of this tool to characterization the analysis and of rivers. This paper reviews the main characteristics of remote sensing based on laser, development of the this technique in the last few years, and more specially, its applicability for the analyses of fluvial ecosystems. Real utilization of LiDAR data in river management is also shown, in different reaches and streams, some of them belonging to the Ebro basin in Spain.

Palabras clave: LiDAR, Hidrología, Vegetación de ribera, Geomorfología fluvial.

que permiten el cálculo de los parámetros de orientación de los sensores láser (fig.1). La rápida evolución de estos comEl inicio del desarrollo de la tecnología LiDAR ( Ligth ponentes Dete- permitió finalmente el aumento de la resolución y ction and Ranging ) se remonta a la década de los 70, dentro fiabilidad de los sistemas LiDAR, y su utilización en un de los programas de investigación llevados a cabo por la gran número de aplicaciones. Agencia Espacial Estadounidense. Su elevado coste yUn sus lisistema LiDAR está basado en la emisión de pulsos mitadas posibilidades para la época frenaron durante años de luz láser desde una plataforma aérea o terrestre. La su utilización generalizada, pero pronto se pudo comprobar medición precisa del tiempo de retorno de las porciones del su elevado número de aplicaciones. La introducción pulso de losal sensor permite calcular la distancia que separa a Ingeniería Civil 142/2006 1 Sistemas porcionó del GPS la des medida LiDAR de se medida leIngenieros la de del de sumó alta Posicionamiento alta tiempo inercial precisión lade resolución. utilización dede (Inertial retorno posicional A de Global Measurement la relojes llegada pulso requerida a finales ultra-precisos de láser, los Units para deMadrid.. ysistemas vos, los entación las ocurre cada el nales éste La una –cas, 80 unidasobre uso IMU), por para tecnología proseñal estación de ycon únicas, lodel además ella. la que otros de superficie sensor Su la retorno lo mación noche. total LiDAR captura sensores, cual funcionamiento lasson topográfica. misiones permite terrestre tiene topográfica. se conocidas de basa, de información unas la pueden las yen Dado captura de es coordenadas condiciones para ellos similar, uso que realizarse cada objetos no remota de ladepende, por sensores pulso posición meteorológitridimensioque tanto, de durante emitido, la existen como inforyalactioride la (*) dios (**) Superior Ingeniero Ingeniero de Técnicas de de de Montes. Montes. Aplicadas Área U.D. Montes. del Hidráulica CEDEX Ingeniería Universidad edel Hidrología. Ambiental. Politécnica Escuela Centro de de Técnica Estu-

1. INTRODUCCIÓN

APLICACIONES DE LA TELEDETECCIÓN LÁSER (LIDAR) EN LA CARACTERIZACIÓN Y GESTIÓN DEL MEDIO FLUVIAL

– Análisis de la geomorfología del cauce (medida de la pendiente, cálculo de la complejidad morfológica, rugosidad, perímetro mojado, profundidad thalweg ,...). del

Z GPS

Y

– Estudio de infraestructuras hidráulicas.

X

– Análisis de las interacciones cauce-sistema fluvial. X LASER– SCANNER

INS Y

– Modelización hidrológica y sedimentaria. – Estudio de indicadores del estado ecológico de los ríos. – Análisis de procesos biológicos en el medio fluvial.

Z

– Obtención de la red de drenaje.

2. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1 DATOS LIDAR DEL RÍO EBRO

Z

Y

ElZ modelo digital de elevación ha sido cedido por la ConfederaciónYHidrográfica del Ebro. El modelo se obtuvo a partir de 13 vuelos LiDAR realizados entre el 3 y 11 de octubre de 2003 con X GPSuna resolución de paso de malla de 2x2 metros y una precisión de ±50 cm en las coordenadasx e y, y.±15 de El sencm en z sor utilizado fue el denominadoFalcon , desarrollado por II Toposys para adquirir datos tridimensionales de la superficie terrestre (tabla 1, fig.2). El método de medición para generar un modelo de elevaciones digital está basado en medidas activas de distancia por medio de un sensor láser, complementado X por un GPS y un sistema de navegación inercial. A partir del Modelo Digital del Terreno (MDT) original, OBJ conocido como DSM, se han desarrollado otros dos modelos.

FIGURA 1. Esquema de vuelo de un sensor LiDAR (Fuente: NOAA).

Rango altura de vuelo 60-1600 m Resolución 1,95 cm Una vez realizado el vuelo sobre una región determinada, se procede al procesado de los datos obtenidos. Para ello, en Ancho de escaneo 14.3° primer lugar se lleva a cabo el filtrado de la información y la eliminación del ruido que contenga. Posteriormente, se realRatio de escaneo 653 Hz iza su corrección diferencial y el ensamblaje de las distintas Ratio del pulso láser 83000 Hz pasadas realizadas. El post-procesado incluye una serie de operaciones que desembocan en la obtención de los modelos Ratio de medida efectiva 83000 per sec. digitales topográficos. El tratamiento de los datos LiDAR Longitud de onda 1560 nm permite la extracción de modelos digitales del terreno (MDT), modelos digitales de elevaciones (MDE), y modelos Distancia de seguridad visual 0,5 m digitales de información intermedia. Los productos LiDAR Velocidad vuelo min/max 36/300 km/h cuentan con la ventaja de ser entregados, generalmente, en formatos fácilmente ejecutables mediante sistemas SIG y Frecuencia del GPS 1 Hz CAD (Renslow et al., 2000). Por lo que respecta a las principales aplicaciones LiDAR Rango de resolución 3 cm en el ámbito hidrológico-forestal, existen ya diversos trabajos Rango de precisión 1 cm que exploran las posibilidades de esta tecnología en dasometría e inventario forestal. Estos estudios han demostrado la caPrecisión de elevación < 15 cm pacidad de LiDAR para llevar a cabo mediciones de gran prePrecisión horizontal -0.5‰ h cisión de la altura media de copas (Magnussen & Boudevyn, 1998; Naesset, 1997), volúmenes de madera en zonas boscoTemperatura de trabajo 0-40 ºC 2 Ingeniería Civil 142/2006 sasal 2001; ción et port 1997), etc. viales, al. ,–2005a, 1997; (Naesset, En .,de et Medida ción Nelson, 1999), cabe la al., cuanto LIDAR clasificación Mean de 2000), 2005b; destacar de la ribera. 1997; 1997). a en modelización la et las la el estructura Fleece, al., aplicaciones aplicación Nilsson, estudio Otros las de 1997) usos siguientes 2002): trabajos del y1996), ode de composición de biomasa riesgo poblaciones en suelo pesticidas (Hallet áreas han la de gestión (Schreier (Lefsky analizado avenidas basales al., de (Walklate de 2005; de laet aves etvegetasistemas al la (Lefsky al., (McArdle .,Farid aplica(Daven1985), et 1997, alet .,flu-Especificaciones TABLA Baltsavias, Dimensiones Peso 1.Dimensiones 1999). Coste del Peso delHumedad soporte del sensor del del soporte sensor del sensor Falcon desensor 0-95% control de 28 1,1 control II.kg 47x53x53 sin mill. (Fuente: 40 condensación kg USD 65x55x45 Toposys.com cm cm y

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2.2. ORTOFOTOS DE APOYO A LOS DATOS LIDAR

FIGURA 2. Sensor Falcon II.

Las ortofotos constituyen un complemento muy interesante para los modelos digitales. En este caso, se cuenta con imágenes de alta resolución en la que cada píxel se corresponde con una celda de 20x20 centímetros a tamaño real. Las ortofotos fueron obtenidas a partir de cuatro vuelos fotogramétricos llevados a cabo durante los días 25 de septiembre de 2003, 4 y 5 de noviembre de 2003 y 10 de diciembre de 2003. Durante estos días el caudal circulante por el Ebro en Zaragoza se situaba en torno a los /s,200 por m lo3 que la lámina de agua que aparece en las fotografías corresponde a este caudal. Las ortofotos tienen y vienen formato acompañadas jpg de un fichero en (archivo formato dejgw referencia), que permite el correcto geoposicionamiento de cada fotografía. 2.3. PROCESADO INICIAL DE LOS DATOS

Todo el procesado de la información ha sido realizado con el software de distribución libre SEXTANTE, Sistema de InforDichos modelos son el DTM y el modelo con batimetría. Este mación Geográfica desarrollado por la Junta de Extrematrabajo se basa, por tanto, en la utilización de los siguientes dura, que se puede descargar en http://sextante.source3 modelos: forge.net (tanto el manual como el programa). • DSM ( Digital Surface Model ): es el producto origiEl formato de los datos LiDAR se basaba en este caso en nal y en él se representa la superficie del terreno, inficheros grid con Para formato podertxt. trabajar con ellos cluyendo tanto la vegetación como las edificaciones y en el citado SIG, fue necesario realizar una conversión preotras estructuras que no constituyen la superficie del via, de la extensión txt , a la extensión (ArcInfo Grid). asc terreno propiamente dicha. En cuanto a lo que es proUna vez realizada esta conversión, se estaba ya en disposipiamente el cauce del río, este modelo representa la ción de trabajar y analizar los modelos, junto con las imágecota de la lámina de agua correspondiente al caudal nes aéreas. circulante en el momento del vuelo en el río Ebro

(aproximadamente 70 m3 /s). Por lo tanto, el DSM no 2.4. GENERACIÓN DE DTMS MEDIANTE DATOS LIDAR da idea alguna de la geometría del lecho del río. Dado que los sistemas LiDAR no son capaces de distinguir a • DTM ( Digital Terrain Model ): se calcula a partir entre puntos priori que pertenecen realmente a la superficie del anterior. Al igual que ocurre para el DSM, no se terrestre y puntos pertenecientes a objetos que se encuenrepresenta el lecho del río, sino la superficie de la tran sobre ella, la generación de DTMs mediante datos Lilámina de agua para el caudal circulante. Se diferenDAR exige la utilización de métodos capaces de agrupar los cia del DSM en que, por medio de unos algoritmos audatos en estas dos categorías. tomáticos de análisis basados en el cálculo de gradientes de altitud, se ha eliminado la vegetación, los Existen distintos algoritmos capaces de extraer los moedificios y los puentes, y se han sustituido pordelos las digitales del terreno de forma automática a partir de los datos LiDAR. Uno de los más habituales lleva a cabo la cotas del terreno existente bajo los mismos. generación del modelo a través de una interpolación sobre • Modelo con batimetría: es una evolución del DTM. una función adaptativa () con spline una bilineal regularizaEn éste tampoco se incluye ni la vegetación, ción ni losbasada edi- en una aproximación por mínimos cuadrados. ficios, ni los puentes, pero se diferencia del anterior en La etapa inicial ) depende ( splinedestep la resolución planique en el modelo con batimetría viene representada métrica delalos datos pre-filtrados. Posteriormente, una regugeometría del lecho del río calculada a partir de inter-de los datos evita las singularidades locales y glolarización polación de 419 perfiles batimétricos levantados a lo bales en la aproximación por mínimos cuadrados (caso de largo del río en un trabajo previo de campo.zonas en las que faltan valores de observaciones) para aseLos datos utilizados no incorporan de forma automática, gurar así la regularidad de la superficie, al minimizar la por tanto, un modelo batimétrico, pero existen otros sensocurvatura en áreas vacías. res láser que sí incluyen esta posibilidad. Es el casoEn del lasisegunda etapa se llevaría a cabo la detección de los stema SHOALS (Scanning Hydrographic Operational Li- de los objetos como frontera entre dos regiones dilímites DAR System) estadounidense, que utiliza longitudes destintas, que presentan una altura significativamente diIngeniería 3 onda cie les. profundidades está gunos stema la sistemas ARL CHARTS vey) profundidad del Este muy o (Experimental que BATS se autores agua sistema láser relacionada produce (Compact habilitan yCivil (Bathimetric por señalan del de conLiDAR entre otra disco a142/2006 la fines Advanced Hydrographic profundidades detección, con de que 0de básicamente permite yand los la40 Secchi elturbidez fondos Airborne Topographic rendimiento m,por muestrear aunque Airborne (Guenther, de una litorales del batimétricos entre Research parte agua. esta óptimo Survey). Rapid en dos y2000). de capacidad un lechos De pueden la yobjetos, arrollo se LiDAR), por la stinta Total rango de tres ygen). información hecho, son adaptativas superfisuele curvatura ve este Otros mínimos observaciones. fluviaveces EASurpresentar del dificultada en Para de se sirealizar alun algoritmo suele evitar pequeño para cuadrados. necesaria deen a recurrir por tipo las las través la en Por la dos bilinear detección distintas cambio esta irregularidad sobre ello, al La de superficies signo etapa regularización la se yde la incertidumbres minimización bicúbico vuelve precisa situación de posición delos de en detección aresiduos, la de ycontacto recurrir adistribución horizontal. exacta de los regularizaciones de las finales bordes de su aque superficies de (en funciones límites gradiente los El que la aporta deimadesborlos las se

APLICACIONES DE LA TELEDETECCIÓN LÁSER (LIDAR) EN LA CARACTERIZACIÓN Y GESTIÓN DEL MEDIO FLUVIAL

z absoluta (m) 955

20

950

15

945

10

940

5

935

0 100 200 300 400 500

distancia al comienzo del

650 750 850 950 1050 1150

tramo (m) Pendiente thalweg Ajuste gaussiano

(a)

64

48

32

16

(b)

0

Perfil longitudinal del thalweg de un tramo de unos 500 m de un río británico, obtenido a partir de datos LiDAR, con 4 muestra Ingeniería Civil 142/2006 (c)extraído (d) FIGURA gaussiana roja 3.(ajuste a). el También thalweg a una se función delmuestran río. (Fuente: vistas elaboración tridimensionales ) del propia tramo (- Datos b-d fluvialcedidos del quepor: se ha Forest Research el perfil longitudinal Agency - Forestry mostrado Commission, en la figura. UK). La línea

65 65 5 4 3 2 1 0

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des en la superficie generada a partir de la función campo, de intery homogeneiza de manera notable los resultados obpolación empleada. tenidos, al no ser dependiente de la calidad de las medicioEn cualquier caso, para llevar a cabo la creaciónnes de realizadas un en el terreno, factor éste que suele generar modelo digital de elevaciones, los datos LiDAR tienen unaque elevada varianza en las observaciones realizadas. La ser interpolados sobre una malla en la que cada celda generación conde perfiles longitudinales en los programas de tenga un valor de elevación. Con el fin de mantener la tratamiento de la información LiDAR permite realizar asimayor cantidad de información topográfica posible, mismo, el tam-de forma sencilla, ajustes de los puntos obtenidos a año de la celda de la malla debe equipararse al menor funciones espamatemáticas diversas, filtrados y suavizados de la ciamiento de los puntos introducidos. Entre otros,red los de algopuntos, y la utilización conjunta de coordenadas relaritmos de interpolación más utilizados son el krigeado, tivaslay absolutas (fig.3). Trabajos recientes muestran la potriangulación y el método de distancia inversa. sibilidad de aplicación de los datos LiDAR en el estudio de la potencia hidráulica del río (Worthy, 2005), o en la clasificación y caracterización de la red fluvial (por ejemplo, en las 3. APLICACIONES DE LIDAR EN LA GESTIÓN estimaciones necesarias para la realización de las clasificaY CARACTERIZACIÓN DEL MEDIO FLUVIAL ciones fluviales de Rosgen). Dentro de las aplicaciones generales de LiDAR en el ámbito ribereño expuestas con anterioridad, se ha considerado 3.2. APLICACIÓN DE LIDAR EN EL ANÁLISIS DE LA oportuno destacar las siguientes: MICROTOPOGRAFÍA FLUVIAL La influencia de la microtopografía del cauce y su entorno 3.1. APLICACIÓN DE LIDAR EN LA ESTIMACIÓN sobre DEL PERFIL el ecosistema fluvial es muy elevada, debido sobre LONGITUDINAL DE UN RÍO todo a su relación con la estructura y composición de la veEl perfil longitudinal de un cauce ( thalweg profilegetación ) ha vende ribera. La microtopografía o microrrelieve de un ido siendo utilizado durante años para analizar sucauce gradi-es un elemento descriptivo de su configuración superente, y como forma de determinar la potencia hidráulica ficial y de y su rugosidad, en un rango de escalas milimétricas el transporte sedimentario que se producen en el mismo. a métricas (fig.4). Esta microtopografía influye de manera El perfil longitudinal se construye mediante la medida notable de en el balance hídrico de estas zonas, afectando al la elevación del lecho del cauce, en sucesivas secciones, equilibriotohidromorfológico del cauce, y modificando las conmando como referencia el punto más bajo de cadadiciones una de ecológicas de diversos elementos del medio, entre ellas. Lo más habitual es que los trabajos de campo ellos, in- como se ha expuesto, y de manera muy particular, las cluyan la medición, en estas secciones, tanto de la elevade la vegetación de ribera. La microtopografía de una cución del lecho como del propio calado del río, las dimensioenca tiene una relación directa, además, con los flujos de nes de las barras de sedimentos o el tamaño de losmateria y energía que se desarrollan en ella. En el caso de materiales presentes en el cauce. En estas campañas, la es llanura de inundación de un río, el microrrelieve es repreciso diseñar con anterioridad un espaciamiento sponsable entre de su conectividad con el cauce, y del mantenimisecciones que permita analizar con garantías los ento elemende relaciones tróficas en el conjunto del sistema fluvial. tos físicos que son objeto del trabajo. Gerstein (2005) Existen re- diversas técnicas disponibles en la actualidad para coge espaciamientos desde 30 cm, en ríos pequeños la caracterización en los de la microtopografía de un suelo. Entre que es necesaria una gran precisión, hasta 30 ellos, m, encabe ríos destacar los métodos de contacto y los métodos tede bajo gradiente. En función del nivel de precisión requelemétricos. rido y las características hidromorfológicas del cauce, esLa tecnología LiDAR permite analizar, de manera efeposible utilizar diversas metodologías de obtención de ctiva, los la microtopografía de los ecosistemas fluviales, y perfiles, desde las más sencillas de tipo manual hasta estudiar las su interacción con diferentes componentes de los que incorporan equipos más o menos avanzados (estaciones totales, niveles láser,...). Harrelson et al. (1994) y Ramos (1996) exponen los diferentes procedimientos existentes hasta la fecha para la obtención de los perfiles longitudinales. En el caso de proyectos y actuaciones locales, estos autores recomiendan la extensión de la medida del perfil longitudinal en una longitud, como mínimo, de 20 veces la anchura de bankfull . En muchas ocasiones, los perfiles longitudinales descritos para la definición del gradiente de un cauce no permiten t err azas al t as u entafel la extracción de las características topográficas del lecho. es c arpes de t Un perfil longitudinal preciso permitiría, sin embargo, una c au c e a ct i v o razas Ingeniería 142/2006 5 caracterización endo cauce sulta lógico, ciones diversidad les tramo de los esta La longitudinales elevados de lautilización de ypuesto del técnica estructura el gran estudio, conjunto lecho deCivil costes interés hábitats. que detallada en suele de del yde el una con de los que también estudio cauce, rápidos venir formas elevada datos una genera de acompañada precisión la de del LiDAR desde ydel morfología remansos, heterogeneidad forma el gradiente lecho. desarrollo un permite elevada. continua punto Esta de del la deobtener rugosidad una de de cauce, un información La aen campañas vista río lo alta aplicación las largo reduce perfiincluyecoelevadel del rede Variabilidad FIGURA de: USGS, 4.geomorfológica 1994). de un cauceeraluvial (Adaptado i nu Ran nd deuac rai ón

nat m t ka u otra lat(ri uopo l eg dggrafí es an ccaort au dalsw acom eaes aada l ct ) ivo

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APLICACIONES DE LA TELEDETECCIÓN LÁSER (LIDAR) EN LA CARACTERIZACIÓN Y GESTIÓN DEL MEDIO FLUVIAL

235

Lecho del río 230

225

DSM DTM

220

215

210

205

200

FIGURA 5. Obtención de la estructura de secciones transversales en el río Ebro (Fuente: elaboración propia).

195 050100150200250300

Distancia horizontal (m)

mismos. En el caso de la vegetación riparia, las figuras Los 5 ymodelos 6 digitales generados a partir de los datos Limuestran ejemplos de la obtención de secciones transversaDAR permiten también analizar la distribución, a lo largo les y de vistas tridimensionales del cauce, mediante de las la llanura cua- de inundación, de las zonas de acumulación de les es posible analizar la relación de la microtopografía agua.con Estas zonas tienen una gran importancia ecológica, al la estructura y composición del bosque. ser puntos de acumulación de las sustancias orgánicas arra-

Estudio de la microtopografía del cauce en un tramo meandriforme del río Ebro mediante diversas representaciones 6 Ingeniería Civil FIGURA elaboración 6. tridimensionales propia). (Fuente:

142/2006

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1927

Zona activa de desplazamiento lateral

Meandro abandonado cubierto por cultivos Sección

2003

Mota

Cota (m) 220 216 212 208 206 204 203.4 203.0 202.6 202.4 202.2 202.12 202.06 202.00

Meandro abandonado

215 213

2003

Meandro abandonado

211 209 207 205

Estudio de5 0la evolución de meandros abandonados (Fuente: elaboración60propia). El7rango de cotas en la figura c se 0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 0 6 50 00 750 800 850 900 950 29 03 3 0Civil Ingeniería FIGURA una escala 7. logarítmica. encuentra en 2 1 0 1 9 7 5 1 0 5 0representado 1 142/2006 100 115012 0 0 1 2 5 0 1 3 0 0 1 3 5 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 5 0 0 Distancia horizontal (m)

100

7

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stradas por el agua tras el paso de las avenidas. Estas condiciones las convierten en espacios de especial interés desde el punto de vista de la diversidad biológica. Éste es el caso de los brazos abandonados por el río como consecuencia de su dinámica natural y de las modificaciones artificiales en el régimen hidrológico. En el caso del Ebro, se ha constatado la posibilidad de estudiar la distribución de estas zonas, y de conocer sus características topográficas (fig.7). Generalmente, los meandros y brazos abandonados se encuentran cubiertos en la actualidad por cultivos agrícolas. Al tratarse de zonas con topografía deprimida, en ocasiones se ha procedido al relleno parcial de las mismas y la instalación de barras artificiales de áridos (motas), para evitar su inundación temporal durante el paso de avenidas. Gracias a la

FIGURA Aplicación 8.de LiDAR en el análisis del desarrollo de islas y barras de sedimentación (Fuente: elaboración propia).

Selección Zona

DATOS LIDAR a) Perfiles:

el corte deba pasar por la cola más alta de la vegetación. Diferentes secciones próximas entre sí proporcionan información sobre la estructura interna.

DATOS DE APOYO • • •

Ortofotos (teledeteccción) Imágenes satélite (teledeteccción): hiperespectrales útiles para estudio de especies presentes. Datos de campo

1. Transversales valorar disposición respecto a la cercanía al agua (más diversidad de especies). 2. Paralrelos: valorar líneas de regulación con la misma distancia río (líneas más monoespecíficas)

b) Volúmenes:

Especie 1.

Alturas

2.

Formas¨2D y 3D

3.

Disposición espacial

visualización 3D

Estudio de la dinámica estructural de la vegetación-topografia: datos tomados de diferentes momentos (inter e intranuales)

TOMOGRAFÍA ESTRUCTURAL DE LA VEGETACIÓN

Tiempo

8

Zonas Altura Caudales Formas de lámina inundación/ del + modelos de terreno aguade periodos inundación retorno: llanura

Datos hidrológicos Ingeniería agua Proximidad Disponibilidad y vertical de la vegetación al horizontal agua dede (Fuente: valoración deCivil la elaboración Esquema vegetación de142/2006 FIGURA la estructura operativo propia). riparia 9.

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FIGURA 10. Vista de las formaciones vegetales edafohigrófilas y climatófilas existentes en un tramo del río Ebro. (Fuente: elaboración propia).

gran sensibilidad métrica del eje vertical que proporciona La vegetación de ribera tiene, como elemento distintivo LiDAR, es posible realizar una detallada cartografíafrente de es-a otras comunidades vegetales, una notable depentas zonas. Por esta misma razón, LiDAR puede dencia convertirse edafo-higrófila. a La conexión con el agua es la que permedio plazo en una herramienta de gran utilidad para mite el verdaderamente el asentamiento de estas formaciones análisis y establecimiento del dominio público hidráulico. en el medio fluvial, y la que motiva la distribución de las Por lo que respecta al estudio del balance sedimentario, especies que las componen. Es, por tanto, el régimen hidroLiDAR permite realizar también estimaciones detalladas lógico eldeelemento básico que, con su variabilidad natural inla acumulación de sedimentos en barras e islas atra lo elargo interanual del define el hidro-período de las especies vegecauce, y de los procesos erosivos desarrollados en él (fig.8). tales de ribera. La topografía del medio fluvial influye también, en buena medida, en la estructura y composición 3.3. APLICACIÓN DE LIDAR EN EL ANÁLISIS del DE bosque LA de ribera, ya que su relación con la hidrología exVEGETACIÓN DE RIBERA plica las características hidrológicas de un tramo determinado (fig.10). Las imágenes obtenidas a partir de los datos La aplicación de los datos LiDAR en el análisis de la vegetación riparia abre un nuevo horizonte en la gestión de estas comunidades. La aplicación del láser en la gestión forestal está sufriendo, como se ha expuesto con anterioridad, una rápida evolución. La utilización de LiDAR en las labores de inventario y ordenación forestal se extiende a gran velocidad en la mayor parte de los países desarrollados, y está también empezando ase utilizarse con diversos fines en la En selviculIngeniería Civil 142/2006 tura mente maderables zonas utilización los caso obtención la el otros estructura análisis Sin bosques, tropical. de componentes que comercial, embargo, la de vegetación cuentan de Estas yylos su composición entre zonas funcionamiento, inventarios datos esta aplicaciones, con físicos ellos, basan tendencia con de LiDAR especies ribera, grandes de del en de dasocráticos, los en medio la las ha el por obtención evolución bosques de lacomunidades objetivo superficies abierto gestión alto su fluvial objetivo valor sino de el último yde (fig.9). no relación camino ribera. industrial. forestales los comercial el básicavegetales, estudio no volúmenes es para con el laode de la de y vegetación FIGURA Aplicación riparia 11. sobre de LiDAR el cauce en el(Fuente: estudio del elaboración sombreado propia). de 9 la

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Perfil Transversal 223

Vegetación

221 219 217 215

Ortofoto Lecho del río DSM DTM

213 211 209 207 205 203 201 199 197 195 050100150200250300350

Distancia horizontal (m)

223 221

Diferencias morfológicas (forma, altura,...)

219 217

Lecho del río DSM

215

DTM

213 211 209 207 205 203 201 199 197 195 050100150

Distancia horizontal (m)

Volúmenes y formas Volúmenes y formas + ortofoto

Aplicación de LiDAR al estudio de la estructura de la vegetación riparia de un tramo del río Ebro. (Fuente: 10 Ingeniería FIGURA 12. elaboración propia).

Civil 142/2006

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2 23 2 21 2 19 2 17 2 15 2 13 2 11 2 09 2 07 2 05 2 03

223

2 01

221

1 99

219

1 97

217

1 95

215 213 211 209 207 205 203 201 199 197 195

Análisis FIGURA mediante 13. secciones sucesivas de la estructura y composición de la vegetación de ribera. Los ejemplares, identificados por sus características morfológicas y con el apoyo de ortofotos se han representado de forma simulada pie a pie. (Fuente: elaboración propia).

LiDAR permiten también analizar la relación existente enEl análisis de la estructura de la vegetación riparia y de tre las formaciones vegetales de ribera y el resto de su comunirelación con las características físicas del medio fluvial dades vegetales. En la fig.10 puede observarse también puede la llevarse a cabo mediante la realización sistemática y distribución de los setos vegetales existentes entre automatizada las parde perfiles y transectos (fig.13, fig.14). El dicelas agrícolas de la vega del Ebro, y su conectividad seño condel losinventario, y la determinación de la longitud y dibosques de ribera. Asimismo, puede estudiarse lastancia distribuentre estos perfiles dependerá de las características ción y composición de diferentes rodales de especies del sensor leñosas láser, de la densidad y variabilidad específica del a lo largo y ancho de la llanura de inundación del río.bosque, y del objetivo final del trabajo de caracterización. La posibilidad de generación de cartografía de detalle Otra aplicación de la utilización de los datos LiDAR es la de la geomorfología fluvial mediante LiDAR, y las aplicaclasificación de la vegetación de ribera a partir de criterios ciones que su utilización presenta desde el punto de vista de altura y textura. La textura se define en este tipo de del estudio específico de las comunidades vegetalesanálisis hace como la frecuencia de cambios de tonalidad en la viable el uso de los datos LiDAR en la gestión y caracteriimagen, y determina la rugosidad visual de la imagen. Exzación de los bosques de ribera. En el ejemplo de la isten fig.12, hasta doce procedimientos distintos para realizar clase puede observar como la zona de topografía más baja de sificaciones de imágenes según su textura. la margen izquierda acoge un rodal de vegetación riparia, A la vista de los trabajos realizados en este sentido compuesto por ejemplares de Salix y Populus(MacKinnon, , mientras 2001), la utilización de los porcentajes de textuque el pie arbóreo existente en el extremo izquierdo, ras parece en mostrar mayor precisión que la de los correspondiuna zona desconectada del nivel freático, corresponde entesaa alturas. La existencia de determinados arbustos de una especie climatófila (no riparia). La importancia del gran hi-porte puede producir confusiones con ejemplares ardroperíodo para la regeneración y crecimiento de bóreos, las espepero no ocurre así cuando se utiliza el criterio textucies ripícolas explica la existencia, únicamente en laral. zona Estos análisis pueden ayudar en la gestión de la zona en que aún existe conexión de la vegetación con húmeda, el nivel y en el estudio de las características del ecosistema. Ingeniería Civil 142/2006 11 freático, posible siológicas mismas realizarse la grafías específicos nes, aplicaciones mas calidad Ellos aéreas estudio de observar datos dentro dede a de detalle ejemplares pie partir (MacKinnon, del la las de LiDAR de ainformación láser la cómo especies pie puede de la composición ripisilva. de criterios pueden terrestre, las de estas extenderse 2001), dichos explican características y morfométricos, de complementarse zonas apoyo de inventarios lagéneros. existencia estas lahasta (fig.13). distribución de comunidades video anatómicas realizar Igualmente, de En que otambién campo, desde no ados Una breado algunas puede de relación en de inventarios de utilización diferentes vez función El las con ortofotoygen plataforEl etc. llevar es empleo puede con del fi-realizada ocasioanálisis con laantrópico cauce vegetación rentes de ael de aspectos cabo de ecosistema de los restauración (fig.11), la datos visores, la del el datos generación vegetación procesado de ecológicos territorio LiDAR oribera, LiDAR para la fluvial fluvial. entrada permite, obtener de abre como en de ydel las con trabajos los ribera asimismo de medio diferentes ellos el asimismo, datos restos porcentaje perfil yelementos el fluvial, de mediante estudio la del vegetales paisajismo texturas, puerta el humedal. relacionde análisis de de somdifeaorien su se lay

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FIGURA 14. Estructura de un bosque húmedo analizado mediante LIDAR (Fuente: Lefsky et al., 2002).

el cauce (Fleece, 2002). También abre nuevas posibilidades el entorno o en el propio medio fluvial. La utilización de senpara el estudio de la distribución de especies exóticas sores en los LiDAR habilitados para la realización de batimetrías cauces (Hall et al., 2005), o para la gestión de plantaciones abre un nuevo horizonte para la obtención de modelos digiforestales en las llanuras de inundación. tales de los lechos fluviales. En la actualidad, el cartografiado del lecho de ríos con calados importantes, o con condiciodifíciles para la realización de mediciones exige la 3.4. APLICACIÓN DE LIDAR EN TRAMOS FLUVIALESnes URBANOS intervención de equipos numerosos y especializados, y la Y OBRAS HIDRAÚLICAS utilización de un amplio número de materiales de apoyo. Los modelos digitales generados a partir de los datos LiDAR Todo ello redunda en el encarecimiento de los proyectos, y tienen un amplio abanico de posibilidades desde el punto en lade obtención de modelos de menor fiabilidad y detalle. vista de la gestión de los tramos urbanos. Desde haceLa unos fig.15 ofrece un ejemplo de generación de cartografía años, estos modelos se vienen usando para la generación de resolución a partir de datos LiDAR, sobre el río de gran cartografía de inundaciones, mediante su combinación Ebro con a su paso por la ciudad de Zaragoza. En esta figura se programas de simulación hidráulica. puede observar la calidad tanto del modelo del terreno como modelo de elevaciones generado, que permiten una buPor esta razón, las simulaciones realizadas paradel aveniena caracterización de los principales elementos de índole das con diferentes periodos de retorno suponen un notable humana que jalonan el cauce. avance para la planificación urbanística, dado que la resolución y fiabilidad de estas simulaciones permite incrementar Otras aplicaciones que se desprenden de la generación de la seguridad de las previsiones y optimizar el proceso este tipo de plade imágenes es la realización de mapas específicos nificación. Por otra parte, el cartografiado mediantede láser infiltración de y acumulación en el conjunto de las zonas de los tramos fluviales en entornos urbanos ofrece también ocupación po- humana, que pueden ser de mucha utilidad en el sibilidades para la realización de proyectos de ingeniería dimensionamiento en y gestión de las redes de saneamiento.

12 tridimensional (Fuente: LiDAR FIGURA tramo y elaboración ortofoto urbano 15. mediante Cartografiado del aérea río propia). datos de Ebro un

Ingeniería Civil 142/2006

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Generación FIGURA 16. de modelos digitales del terreno y de elevaciones del río Ebro a su paso por Zaragoza. En la parte inferior de la imagen pueden observarse algunas de las edificaciones del centro histórico de la ciudad. (Fuente: elaboración propia).

En la actualidad, la tecnología LiDAR sobre3.5. plataformas APLICACIÓN DE LIDAR EN EL ANÁLISIS DE CUENCAS aéreas empieza ya a combinarse con aplicaciones terrestres, Existen otras muchas aplicaciones de LiDAR en el ámbito de permitiendo la generación de modelos de gran detalle la gestióndel de cuencas hidrográficas, casi todas ellas basadas en alzado y perfil de obras civiles, edificios y otras construcciola elevada resolución de las imágenes generadas a partir de nes (fig.16, fig.17). esta técnica de teledetección (fig.18). Entre estas aplicaciones

Análisis de infraestructuras mediante LiDAR. En este caso, se trata de uno de los puentes que cruza el río Ebro en Ingeniería Civil FIGURA capital (Fuente: 17. el tramo elaboración de 142/2006 Zaragoza propia).

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FIGURA 18. Modelos digitales creados para la gestión de cuencas hidrográficas a partir de datos LiDAR (Fuente: Merrick & Co.).

cabe destacar, por su relación con los procesos físicos y• ecológial tratarse de datos digitales pueden ser utilizados en cos propios de los sistemas fluviales, el análisis de los procesos muchos paquetes informáticos, y empleados para geerosivos y sedimentarios (movimientos en ladera, erosión lanerar vistas muy distintas; minar, análisis torrencial, etc.), los estudios hidrológico-fore• el post-espaciado de los datos de elevaciones generastales, la investigación de los procesos edafológicos, odos el análien LiDAR es considerablemente más denso que en sis general del ciclo hidrológico en cuencas y subcuencas. los métodos tradicionales; • permite cartografiar atributos lineales y estrechos, incluyendo el diseño, planificación y cartografiado de carreteras, la planificación y diseño de los corredores y de El coste medio de los datos de puntos x, y, z obtenidos a través propias torres de líneas eléctricas, el análisis de la de los sistemas LiDAR varía aproximadamente entre los las 1.000 erosión y 2.000 USD por milla cuadrada ~( 3,20 – 6,40 /ha) para espa- costera, el manejo de estas zonas, el análisis de los recursos ciamientos de 2-3 metros (Fuente:NOAA Coastal Service Cen- hídricos, el manejo de redes de tuberías, etc;

4. COSTE DE LOS DATOS LIDAR

ter). Este coste incluye los gastos del vuelo, captura, post-proce• facilita la obtención de cartografía de la superficie tersado y entrega. Los costes generales varían en función del restre en áreas vegetadas o forestadas, dado que un tamaño del proyecto, espaciamiento horizontal (densidadsolo de pulso es capaz de penetrar entre la vegetación y puntos) y ubicación del proyecto. El valor indicado no incluye la alcanzar la tierra; obtención de productos adicionales (DEMs, DTMs, curvas de • los datos de elevaciones obtenidos con LiDAR resultan nivel, etc.), los requerimientos de precisión específicos o las renotablemente más baratos que los obtenidos con los stricciones debidas a licencias de algún tipo. En cualquiermétodos caso, tradicionales, especialmente cuando el postestos datos dependen enormemente en función de la referencia procesado automático se utiliza para generar modelos elegida, por lo que deben tomarse con todas las salvedades.de datos de elevaciones de la superficie terrestre. Entre los principales inconvenientes y limitaciones de la

5. CONCLUSIONES. VENTAJAS E INCONVENIENTES utilización de los datos LiDAR cabe destacar los siguientes: DE LA UTILIZACIÓN DE DATOS LIDAR EN LAdatos GESTIÓN • Los digitales de elevaciones obtenidos a partir de Y CARACTERIZACIÓN DEL MEDIO FLUVIAL cualquier método, incluyendo LiDAR, no son perfectos.

LiDAR no puede delinear con precisión los límites de Las principales ventajas de la utilización de LiDAR como tecursos de agua, líneas de costa o aristas naturales visicnología de muestreo y captura de información territorial bles en imágenes fotográficas. La precisión está siemson las siguientes: pre limitada por los errores inherentes al GPS de a • todos los datos se registran numéricamente; bordo y al sistema IMU. Además, al requerirse procesado manual, las líneas Ingeniería de nivel generadas en LiDAR láser es un sensor activo por loaumentar queacceso requiere con14 •• el Civil 142/2006 esente el la proporciona diciones luz formación no dad en procesado alta una necesita planificación del de sensible; precisión tecnología día; realización de es datos automático radiación soporte recogida deyde en los en de muestreo áreas terrestre; trabajos datos solar los rápidamente permite análisis; de específicas, recogidos detallados difícil aérea, yno por con permite ni de lola precisión, siquiera oque ingeniería; velocide usarlos •por la Por el ambipción aparte, no inpaso aún vegetación nar la partir otra yrioridad variaciones están de ydificultades del reflejar las parte, de las mediante flujo normalmente curvas datos para redes muy yen en pese yeliminar LiDAR para el errores densa. de los técnicas interior anivel drenaje modelos cartografiar las hidro-corregidas pueden estos Los en opciones generadas de fotogramétricas las pulsos algo la de problemas, elevaciones dar vegetación elevaciones. distinta superficies descritas lugar se automáticamente pueden para aLiDAR una la motivando manuales. obtenidas. con cubiertas asegurar obtenida Por disemidescriantetiene otra

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• La mayor parte de los láser LiDAR utilizan, como se ha . Washington, ing and GIS DC, American Society of Photocomentado, radiación perteneciente al infrarrojo grammetry and Remote Sensing. cercano. Algunos materiales y superficies, tales como elM.A., Cohen, W.B., Harding, D.J., Parker, G.G., Lefsky, agua o el asfalto, absorben la longitud de onda correAcker, S.A. and Gower, S.T. 2001. Lidar remote sensing of spondiente a esta banda del espectro y provocan que las aboveground biomass in three The biomes. International In: señales de retorno puedan ser escasas o inexistentes. Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information , Volume Science XXXIV, Part 3/W4, Com• Finalmente, es preciso destacar que LiDAR puede dar mission III, Annapolis, Maryland, 22-24 October, 155-160. lugar a archivos de datos de gran tamaño. Lefsky, M.A., Cohen, W.B., Harding, D.J., Parker, G.G., Acker, S.A., Gower, S.T.. 2002. Lidar remote sensing of abo6. AGRADECIMIENTOS veground biomass in Global three Ecology biomes. and BioLos datos LiDAR utilizados para la redacción de este trabajo geography11(5): 393-400. han sido proporcionados, como se ha indicado a lo largo del MacKinnon, Wetland F. 2001. Application of LIDAR Data: texto, por la Confederación Hidrográfica del Ebro (MinisteAnalysis of Vegetation Types and Heights in Wetlands. [Disrio de Medio Ambiente), y por la Forestry Commissionponible del en:] http://agrg.cogs.ns.ca/publications/reports/liReino Unido. A ambos Organismos debemos agradecer las dar_wetlands.pdf facilidades dadas para la utilización de esta información, y Magnussen, S. & Boudewyn, P. 1998. Derivations of stand el interés mostrado en la realización de este trabajo. heights Tam- from airborne laser scanner data with canopy-babién debemos agradecer a Silvia Merino de Miguel, professed quantile Canadian estimators. Journal of Forest Reseora de la Unidad Docente de Topografía de la E.U.I.T. Forearch 28: 1016-1031. stal (Universidad Politécnica de Madrid), su ayuda y McArdle, S.S., Farrington, G., Rubinstein, I. 1999. A prelicolaboración durante el desarrollo de esta investigación. minary comparison of flood risk mapping using integrated remote sensing technology to aerial photography. ProceIn: 7. REFERENCIAS edings of the Fourth International Airborne Remote Sensing Conference and , Ottawa, Exhibition Ontario, 21-24 June. Baltsavias, A. 1999. Airborne laser scanning: existing syMeans, J.E., Acker, S.A., Harding, D.J., Blair, B.J., Lefsky, stems and firms and other resources,ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing54: 164–198. M.A., Cohen, W.B., Harmon, M.E., McKee, W.A. 1999. Use of large-footprint scanning airborne LIDAR to estimate forest Davenport, I.J., Bradbury, R.B., Anderson, G.Q.A., Hayman, characteristics in the western Cascades of Oregon. ReG.R.F., Krebs, J.R., Mason, D.C., Wilson, J.D., Veck,stand N.J. 2000. mote Sensing of the Environment 67: 298-308. 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