CARACTERIZACIÓN TOPOGRÁFICA DE LA LAGUNA SAGRADA DE SIECHA (PNN CHINGAZA), UTILIZANDO NUBES DE PUNTOS DE ALTA DENSIDAD
PRESENTADO POR:
ANA MARÍA SUÁREZ SABOYÁ
DIRECTOR DEL PROYECTO
ING. MSC. WILLIAM BARRAGÁN
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES PROGRAMA: INGENIERIA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C. CARACTERIZACIÓN TOPOGRÁFICA DE LA LAGUNA SAGRADA DE SIECHA (PNN CHINGAZA), UTILIZANDO NUBES DE PUNTOS DE ALTA DENSIDAD
ANA MARÍA SUÁREZ SABOYÁ
COD: 20132032002
DIRECTOR DEL PROYECTO
ING. MSC. WILLIAM BARRAGÁN
Trabajo de grado presentado en modalidad de:
MONOGRAFÍA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES PROGRAMA: INGENIERIA TOPOGRÁFICA BOGOTÁ D.C. Junio, 2019 AGRADECIMIENTOS
Agradezco en primera medida a mi madre Cecilia, quien de principio a fin de mi carrera, de mi tesis y de mi vida, me ha apoyado, cuidado y aguantado.
Agradezco a Liliana Saboyá, quien me llevó por primera vez al páramo de Chingaza, y me acompañó en todo este proceso.
A Emily Nunez por ser como mi segunda tutora de tesis, por la paciencia y por la ayuda que me dio en todo momento.
A Merilyn Caballero, ya que sin su ayuda, apoyo y acompañamiento mi proyecto de investigación no hubiese sido posible.
A mis amigos, Camila y Daniel quienes me ayudaron a resolver un montón de dudas.
A mi mejor amiga Paula y a Pepe quienes me acompañaron en la salida de campo más fría que pase en todo el proyecto.
Al señor Manuel Venegas, quien fue un excelente conductor, ayudante, guía y compañía en mis salidas de campo.
Y finalmente, al profesor William Barragán por apoyar mi investigación. RESUMEN
Se realizó la caracterización topográfica de zonas de Parques Nacionales. Generalmente, la calidad y la escala de trabajo en estas áreas protegidas han estado limitadas a imágenes satelitales las cuales no proveen información suficiente. Por otra parte, los pocos estudios que se conocen han sido realizados por empresas privadas que localizan sus resultados a pequeñas áreas de su interés. Es por ello, que se requiere ampliar la cantidad de información base, complementando análisis y estudios en estas regiones particulares.
La topografía actualmente cuenta con múltiples herramientas que pueden ser usadas en climas extremos y en áreas de difícil acceso. Además, cuenta con elementos para estudiar superficies subacuáticas, con vegetación diversa y morfologías de superficies ilimitadas. Por esta razón, la caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha (PNN Chingaza) tenía como objetivo la obtención de información cartográfica de calidad con el mínimo gasto de tiempo, dinero y esfuerzo físico en las actividades de campo. Este proceso fue ejecutado mediante la aplicación de tres levantamientos topográficos: batimetría, levantamiento con UAV y con escáner laser terrestre.
Se escogió la laguna sagrada de Siecha como zona de estudio, la cual hace parte de un conjunto de tres lagunas llamadas Lagunas de Siecha, ubicado en el PNN Chingaza. Esta área de estudio fue seleccionada debido a: 1) la importancia ecosistémica del parque Chingaza, 2) la cercanía de este a la ciudad de Bogotá, 3) la complejidad de la zona, cumpliendo con unas características de clima de páramo (considerado un clima difícil para la realización de trabajos topográficos convencionales) y 4) porque permitía abarcar un cuerpo de agua y una formación montañosa con variaciones en elevación. Estas características se aseguraron para poner a prueba la calidad y practicidad de las metodologías topográficas mencionadas.
A partir del procesamiento de los datos tomados con cada levantamiento, se obtuvieron un conjunto de nubes de puntos georreferenciadas que certificaron la producción de una superficie del área de estudio, y consecuentemente de planos y modelos en 3D, para su posterior análisis.
Se obtuvieron resultados favorables respecto a la calidad y precisión de la información, en un periodo de tiempo corto de 3 días de campo y aproximadamente 2 semanas de trabajo en oficina. Pese a las dificultades climáticas (sobre todo los fuertes vientos) los equipos usados, y las metodologías escogidas, fueron los Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha indicados ya que no presentaron ningún inconveniente y permitieron la completa realización de las actividades programadas.
Se concluyó, que el uso de estas herramientas si facilitan el ejercicio topográfico y pueden garantizar una toma de información de calidad. Sin embargo, se consideró que los resultados no compiten con los levantamientos topográficos convencionales, sino que son un complemento que mejora la calidad de los trabajos.
Palabras clave: topografía, PNN, Chingaza, Lagunas de Siecha, UAV, batimetría, scanner Laser, caracterización topográfica, nubes de puntos, páramo, alta montaña.
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TABLA DE CONTENIDO
Agradecimientos ...... 3 Resumen ...... 4 Lista de imágenes ...... 8 Lista de tablas ...... 9 1. Introducción ...... 10 1.1. Formulación del problema de investigación ...... 13 1.2. Justificación ...... 13 1.3. Impacto social y ambiental ...... 15 2. Fundamento Teórico ...... 16 2.1. Marco Conceptual ...... 16 2.1.1. Aerofotografía ...... 16 2.1.2. Aerotringulación ...... 16 2.1.3. Altura elipsoidal ...... 16 2.1.4. Ambiente morfogenético ...... 17 2.1.5. Batimetría ...... 17 2.1.6. Cartografía ...... 17 2.1.7. Ecosonda ...... 18 2.1.8. Escaneo Laser ...... 18 2.1.9. Escala ...... 18 2.1.10. Fotogrametría ...... 18 2.1.11. Geodesia ...... 18 2.1.12. Geomorfología ...... 18 2.1.13. Levantamiento topográfico ...... 18 2.1.14. Lidar ...... 18 2.1.15. Modelo digital de terreno ...... 19 2.1.16. Nube de puntos ...... 19 2.1.17. Ortofotografía ...... 19 2.1.18. UAV ...... 19 Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
2.2. Marco Teórico ...... 19 2.2.1. Nubes de puntos en la fotogrametría ...... 20 2.2.2. Nubes de puntos en la tecnología LIDAR terrestre...... 21 2.2.3. Nubes de puntos en la Batimetría ...... 21 2.3. Marco Normativo ...... 22 2.3.1. Sistema de referencia horizontal Datum MAGNA -SIRGAS ...... 22 2.3.2. Sistema de referencia vertical ...... 23 3. Antecedentes ...... 25 4. Objetivos ...... 28 4.1. Objetivo General ...... 28 4.2. Objetivos Específicos ...... 28 5. Metodología ...... 29 5.1. Fase I: Planificación ...... 30 5.1.1. Zona de estudio ...... 30 5.2. Fase II: Recolección de datos en campo...... 31 5.2.1. Levantamiento fotogramétrico con UAV ...... 31 5.2.2. Batimetría ...... 32 5.2.3. Escáner Laser ...... 32 5.3. Fase II: Procesamiento de la información ...... 33 5.3.1. Fotografías de UAV ...... 33 5.3.2. Líneas batimétricas ...... 34 5.3.3. Datos del escáner laser ...... 34 5.4. Unificación y análisis de la información ...... 34 6. Resultados ...... 36 6.1. Levantamiento de los datos: ...... 36 6.1.1. Levantamiento de fotografías con UAV ...... 36 6.1.2. Batimetría ...... 39 6.1.3. Escáner Laser ...... 40 6.2. Procesamiento y producción de salidas gráficas ...... 41 6.2.1. Fotografías de UAV ...... 41 6.2.2. Líneas batimétricas ...... 44
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6.2.3. Datos del escáner laser ...... 45 6.3. Salidas gráficas ...... 49 6.4. Análisis ...... 49 6.4.1. Análisis de información obtenida del terreno ...... 49 6.4.2. Análisis de elevaciones (Drone y escáner) ...... 50 6.4.3. Análisis de vegetación visible en la ortofotografía ...... 52 7. Conclusiones ...... 53 8. Recomendaciones ...... 54 9. Anexos ...... 56 10. Referencias ...... 57
LISTA DE IMÁGENES
Imagen 1 Vista panorámica desde la cuchilla de Siecha a las lagunas...... 11 Imagen 2 Información geológica de las lagunas de Siecha escala 1:1’000.000. ... 12 Imagen 3 Localización del PNN Chingaza...... 13 Imagen 4 Lámina corográfica de las lagunas de Siecha...... 27 Imagen 5 Zona aproximada de trabajo en la laguna sagrada de Siecha...... 30 Imagen 6 Primer punto de control ubicado junto a la laguna...... 38 Imagen 7 Equipo de trabajo ubicando el bote en el punto B1 (20 de febrero)...... 39 Imagen 8 Líneas batimétricas del proyecto...... 40 Imagen 9 Ubicación del escáner laser Faro en la segunda escena tomada...... 41 Imagen 10 Interfaz de trabajo de ContextCapture en la pestaña Surveys...... 42 Imagen 11 Ventana de Context- Capture donde se observa el resultado en 3D. ... 43 Imagen 12 Cartografía 1:850, Vegetación de la laguna sagrada de Siecha...... 44 Imagen 13 Superficie batimétrica de la laguna sagrada de Siecha...... 45 Imagen 14 Espacio de trabajo en ReCap ...... 46 Imagen 15 Ventana de clasificación automática en Global Mapper...... 47 Imagen 16 Superficie resultante del escáner Faro Focus 150...... 47 Imagen 17 Nube de puntos de frailejones...... 48 Imagen 18 Vista norte-sur comparando superficies...... 51
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LISTA DE TABLAS Tabla 1 Relación: Gran paisaje – Ambiente morfogenético ...... 17 Tabla 2 Sistema de coordenadas: GCS_MAGNA ...... 22 Tabla 3 Parámetros de vuelo, basados en metodologia de Riaño...... 36 Tabla 4 Datos para ejecución del vuelo con UAV ...... 38 Tabla 5 Datos de superficie comparativa Drone-Escáner...... 51 Tabla 6 Clasificación de la vegetación en la laguna sagrada de Siecha ...... 52
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1. INTRODUCCIÓN
La información espacial, los modelamientos y la transversalidad de la Ingeniería topográfica en investigaciones medio ambientales, son las premisas de este trabajo. La necesidad de implementar herramientas que contribuyan a una mejor toma de decisiones sobre un territorio genera la necesidad de desarrollar estudios interdisciplinarios con el fin de conseguir los mejores resultados [1].
Se tomó como sitio de estudio una zona del Parque Nacional Natural (PNN) Chingaza, el cual es de particular importancia por los servicios ecosistémicos que provee a la capital colombiana, principalmente en lo relacionado con la provisión de agua potable y servicios culturales [2]. Para este parque la situación en términos de información cartográfica es crítica, a pesar de ser uno de los parques nacionales en Colombia con mayor presupuesto en investigación científica. La mejor precisión con la que cuenta Chingaza respecto a mapas es a escala 1:25000, resultado de la delimitación de páramos de Colombia. Es importante resaltar que, por la ubicación e importancia ya mencionada de este páramo, ha sido tomado como modelo de manejo para otras áreas protegidas como: parques, reservas y sitios de interés medio ambiental en Colombia [3].
Dentro del área del parque, se encuentra ubicado un sector de gran importancia cultural conocido como “Las Lagunas de Siecha” (“agua entre colinas” o “Hombre de agua”1). Esta zona es catalogada como un santuario de devoción perteneciente a la cultura Chibcha y se encuentra comprendida por tres lagunas conocidas como Teusaca, Guasca y laguna sagrada de Siecha2 (Ver Imagen 1) [4] [5]. Estas no solo son de gran importancia histórico-cultural también a lo largo del tiempo han sido objeto de intervención humana con fines lucrativos.
A pesar de esto y en particular la laguna sagrada de Siecha puede ser considerada como un sistema resiliente, luego de recuperarse de dos grandes proyectos que consiguieron secar gran parte de la laguna con el fin de obtener “preciados tesoros”.
1 Una de las teorías es que Siecha se deriva de xiegua o siegua (agua entre colinas). “Según Acosta Ortegón “sie” quiere decir agua. El historiador Vicente Restrepo dice que la palabra Siecha está formada por las voces, “sie”: agua, y “cha”: varón.” Tomado de: http://lagunasdesiecha.com.co/ [83] 2 Según otros autores, las lagunas también son conocidas como: América, Fausto y Siecha. [83] Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Imagen 1 Vista panorámica desde la cuchilla de Siecha a las lagunas. Fuente: Ana Suárez
La primera intervención consistió en la excavación de un canal de tres metros de profundidad realizado en presencia del general Francisco Santander y del cual se obtuvieron algunas riquezas; un segundo proyecto se desarrolló en 1856 por los hermanos Joaquín y Bernardino Tovar, continuando la excavación del canal tres metros más y en la que se halló al borde de la laguna una balsa de oro, la única encontrada en una laguna Muisca [5] [6].
El conjunto de tres lagunas hacen parte de los lagos glaciares de la sabana de Bogotá resultado de la acumulación de agua en zonas montañosas glaciadas, la cual se desarrolló principalmente en bases de circos glaciares angostos y de poca extensión [7] [8] dando paso a la ubicación de estos cuerpos de agua a 3591 msnm (Teusaca), 3609 msnm (Guasca) y 3629 msnm (La laguna sagrada de Siecha); además de definir la línea de elevadas montañas que las rodean reconocida como Cuchilla de Siecha. En el centro de la Imagen 1 se observa la laguna sagrada de Siecha, a continuación a la izquierda está Guasca y en la misma línea hacia la izquierda está Teusaca.
Dentro de las características geológicas principales, el sector de la laguna de Siecha se destaca por estar constituido de bloques angulares de diferente tamaño 3 – 50 cm y bloques diseminados hasta de 2 m [8]. Según el mapa geológico de Colombia por su ubicación, la caracterización del suelo en esta zona es de tipo K1K6-Stm (ver Imagen 2), correspondiente a rocas de edad Cretáceo Superior conformadas por intercalaciones de shales3, arcillolitas, calizas, fosforitas, cherts4 y cuarzo arenitas.
3 Las shales o rocas de esquisto, es una formación sedimentaria que puede contener gases y petróleo [85]. 4 El chert es una roca sedimentaria rica en silíce de grano fino microcristalina [84]. 11
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Imagen 2 Información geológica de las lagunas de Siecha escala 1:1’000.000. Fuente: Servicio geológico.
El clima de Chingaza se define como clima templado, frio o muy frio superhúmedo [2], este de manera general es determinado por la influencia de vientos Alisios y por la elevación. Por su ubicación, las lagunas de Siecha tienen una temperatura que oscila entre los 20° y los 4°C, con un promedio anual de 8°C. Durante el año el parque presenta picos de lluvias intensas entre los meses de abril y noviembre, el periodo de tiempo con menor precipitación esta entre diciembre a marzo [9].
Teniendo en cuenta las características y particularidades de este ecosistema de páramo y bosque alto andino, actualmente existen tecnologías y metodologías que permiten realizar una mejor obtención de información cartográfica en este tipo de sitios respecto a: disminución del tiempo de trabajo en campo, aumento del rango de datos obtenidos (Alturas, distancias, fotografías, datos visibles sobre la vegetación y demás características del terreno que pueden analizarse) y en general menores costos.
La presente investigación propone el uso combinado de tres metodologías exponentes de uso de nubes de puntos: la batimetría, fotogrametría mediante el vuelo con UAV y el levantamiento topográfico con escáner laser terrestre. Esto, con el fin de obtener información digital de alta resolución útil para diferentes estudios o investigaciones a fines, a través del procesamiento de nubes de puntos densas para zonas de alta montaña.
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1.1. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN ¿Cómo las nubes de puntos de alta densidad son una herramienta eficiente para la caracterización topográfica en zonas de alta montaña?
1.2. JUSTIFICACIÓN El Parque Nacional Natural Chingaza se localiza en el centro del país, en la cordillera Oriental (Imagen 3), al nororiente de la ciudad de Bogotá [10]. Este ocupa 78.294 hectáreas y se encuentra en el rango altitudinal entre los 800 hasta los 4.020 msnm [2].
Imagen 3 Localización del PNN Chingaza. Fuente: Ana Suárez
Esta área protegida nace bajo resolución en 1968, con una pequeña extensión de 20.000 hectáreas y es actualmente una de las áreas silvestres protegida más importante de Cundinamarca. Dentro de la infraestructura del parque, la empresa de acueducto y alcantarillado de Bogotá tiene instalaciones muy valiosas de captación de agua, además de darle al parque aportes representados en suministro de energía eléctrica y campamentos como Monterredondo, Palacio y la Paila [2].
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Estos datos resaltan el valor del PNN Chingaza, por su riqueza mediante los recursos ecosistémicos que provee (principalmente a la Capital del país). Sin mencionar que, dentro de toda su extensión, el parque alberga gran cantidad de especies de fauna y flora [2].
Sobre este páramo se han hecho múltiples estudios los cuales pueden reflejarse en el texto más completo sobre el parque Chingaza, de Vargas y Pedraza (2003). Este, describe dentro de las ciencias de la tierra: la geología, geomorfología, las formas fluviales y fluvioglaciares, la hidrología y el clima.
Pero, así como en este, en uno de los textos del Humboldt, se resalta un detalle al momento de concluir sobre los resultados obtenidos:
“…la cartografía de coberturas (1:100000), no permite ver cambios en la composición vegetal y otros elementos que pueden estar hablando de intervención y conflicto en los páramos y que no son visibles” [11].
La cartografía topográfica detallada no ha resultado ser indispensable al desarrollar análisis a gran escala sobre el ecosistema, siendo entonces suficiente la información satelital y una delimitación del área de páramo (no del todo exacta) a partir del trabajo realizado por el IGAC en el 2013. Pero es ahora donde se evidencia una necesidad de esta información, y en particular en zonas con presencia de laguna de alta montaña por varias razones:
• En el desarrollo de una investigación de cualquier disciplina científica, al disminuir la zona de estudio, la relación topografía, clima y suelo, es clave para analizar los “parches ecosistémicos”5 que se adentran en el subpáramo, como en los pliegues de las colinas [2]. • En la división y toma de decisiones con respecto a clasificación, delimitación y/o uso del suelo; la topografía es una guía de la forma natural de la superficie y mostrará de manera clara las subdivisiones naturales del parque. • La extrapolación resulta una herramienta útil para analizar información a diferentes escalas, pero solo es un acercamiento, más no representa la información real del terreno. • La topografía a una escala detallada es una pesquisa importante para un primer reconocimiento del terreno al momento de planear rutas dentro del parque, tanto para visitantes como para trabajadores e investigadores.
5 Con este término, la autora se refiere a divisiones del ecosistema evidenciadas por vegetación y especies predominantes, por cambios de pendientes, humedad y demás factores. 14
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
• Además, la topografía incluye tanto la superficie de un cuerpo de agua, como la forma subacuática de este, lo que significaría información adicional (obtenida de manera no invasiva como el buceo, por ejemplo) para estudios de ecosistemas acuáticos en zonas del parque.
La principal dificultad para el levantamiento de esta información es el clima sumado al acceso únicamente peatonal. Los páramos de la vertiente oriental son más húmedos y sus precipitaciones son biestacionales6 [12] [13] [14] [15]. Lo cual representa grandes lluvias por largos periodos de tiempo, neblina, terreno saturado y demás obstáculos, así que es prudente aprovechar la temporada de verano para minimizar estas complicaciones. Además, es pertinente tener en cuenta, que hay que caminar hasta al sitio de estudio, por lo cual hay un límite en la cantidad de equipos que se puede cargar, el tipo y el peso de estos.
Es acá donde juega un papel importante el uso de nuevas tecnologías, de equipos compactos los cuales pueden adaptarse a las condiciones de terreno y clima, herramientas que significan una disminución en el tiempo de trabajo de campo manteniendo (o incluso mejorando) la calidad de los resultados a obtener. A pesar de las dificultades, la prioridad es el levantamiento de cartografía de alta calidad en el tiempo disponible de trabajo. Ya que hay tantos factores “en contra”, es clave una buena planeación de: el tiempo, la definición del área de estudio, la capacidad de los equipos, el uso de baterías, las distancias y el camino a recorrer.
1.3. IMPACTO SOCIAL Y AMBIENTAL El proyecto buscó contribuir a la generación de cartografía base requerida en el parque. Desarrollando y aplicando una metodología para una zona específica dentro del área del parque Chingaza, se obtuvieron productos gráficos que pueden resultar siendo ejemplo para continuar el proceso en el resto del PNN. Lo importante es la producción de información primaria accesible y útil, para investigadores y trabajadores del parque.
No solo es una guía gráfica, es una herramienta que contribuye al cuidado, estudio y desarrollo del parque, como reserva, zona de investigaciones interdisciplinarias y como área turística. Así mismo promueve la importancia de la ingeniería topográfica, como ciencia especializada en la medición, y análisis de las características del relieve.
6 Monomodal y el bimodal, son las dos grandes modalidades de reparto temporal de lluvias. El monomodal o biestacional se caracteriza por tener su periodo de mayores lluvias entre abril y noviembre, pocas lluvias entre diciembre y marzo. 15
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1. MARCO CONCEPTUAL La topografía, es una disciplina científica que estudia segmentos de la superficie terrestre. El termino topografía, viene del griego: Topos -lugar- y Graphos - descripción-. En consecuencia, los objetos de estudio de la topografía son las características del relieve de la Tierra, imágenes en 2D y 3D del terreno, identificación de formas, medidas, orientación y desplazamiento terrestre. [16]
La aplicación y desarrollo de dichas actividades son conocidas como levantamiento topográfico, del cual se obtiene como resultado la representación gráfica de volúmenes, áreas y formas de un terreno. Este, incluye la referencia espaciotemporal ubicando la información. [17]
De manera que, una caracterización topográfica es un conjunto de información más completa, la cual recopila las particularidades del relieve y los resultados del levantamiento topográfico, resaltando como datos más importantes: altitud, pendiente, exposición, curvatura y rugosidad de toda la superficie [18].
2.1.1. Aerofotografía Imagen captada mediante el uso de sensores fotográficos instalados a bordo de un vehículo aéreo, la cual contiene información de la superficie terrestre [19].
2.1.2. Aerotringulación La triangulación aérea es un método cartográfico de interpolación capaz de compensar mediante el uso de puntos de control áreas del terreno perfectamente orientadas y unidas, homogeneizando el bloque fotogramétrico a través de la orientación externa e interna de las correspondientes imágenes; de esta manera se obtienen coordenadas X, Y, Z georreferenciadas de modelos estereoscópicos, obteniendo finalmente un mapa digital del terreno [20] [21] [22].
En un análisis y ajuste tridimensional se definen parámetros de transformación de semejanza por cada modelo a triangular: tres traslaciones (Tx, Ty, Tz), tres rotaciones (w,f,k) y finalmente un factor de escala; con el fin de hacer cumplir condiciones de ajuste de puntos de paso y centros de proyección, además de generar residuos mínimos de los puntos de control [20].
2.1.3. Altura elipsoidal Es la diferencia vertical entre el elipsoide de referencia y un punto determinado. Esta se mide a lo largo de la normal al elipsoide que pasa por el punto de interés [19]. Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
2.1.4. Ambiente morfogenético La geomorfología subclasifica la superficie y el terreno para definir unidades ecosistémicas, climáticas, topográficas, etc. A continuación, una relación entre gran paisaje y su subdivisión por ambientes morfogenéticos:
Tabla 1 Relación: Gran paisaje – Ambiente morfogenético Modificación hecha por Serrato Álvarez, de Villota Hugo (1997) [23] [24]
Gran Paisaje Ambiente morfogenético Relieve montañoso Glaciárico, glacifluvial, glacio-estructural, glaciovolcánico, estructural-erosional, volcano- erosional, fluvio-erosional Relieve colinado Disolucional, fluvio-erosional, volcano-erosional, (lomerío) disolucional. Altiplanicie Estructural-erosional, volcánica Altiplano Lacustre, fluvio-lacustre, hidro-volcánico Altillanura Aluvial, aluvio-diluvial Superficie de Denudacional-residual aplanamiento Piedemonte Aluvial, coluvial, diluvial, aluvio-coluvial, aluviodiluvial, coluvio-diluvial, glaci-fluvial, fluvio- volcánico Planicie o llanura Marina, lacustre, aluvial, fluvio-marina, fluviolacustre, eólica, volcánica Valle Aluvial, glacial, glaci-fluvial, aluvio-coluvial, aluviodiluvial, coluvial, fluvio-volcánico
2.1.5. Batimetría Según el IDEAM7, es el levantamiento topográfico del relieve de terreno cubierto por agua, sea en el fondo del mar o de lechos de ríos, ciénagas, lagos, embalses, etc. Estos trabajos también se denominan topografía hidrográfica, cartografía náutica, etc. El cometido principal era describir características del fondo marino para poder navegar por terrenos invisibles [25]
2.1.6. Cartografía Consiste en la representación más exacta posible de la superficie de la Tierra. Inicialmente esta ciencia buscaba servir de orientación, posteriormente este concepto se ha ampliado, representando fenómenos visibles (bosques, ríos, costas, …) y no visibles (delimitación política, ambiental, ecosistémica, …) [26].
7 http://www.ideam.gov.co/web/agua/batimetrias 17
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
2.1.7. Ecosonda También llamado SONAR (Sound, navegation and Ranging); es la herramienta que mide tiempo de viaje de una señal acústica reflejada por la superficie submarina [27] determinando así la profundidad.
2.1.8. Escaneo Laser Laser, se refiere a la amplificación de la luz por emisión inducida de radiación. Y el escaneo, es la medición de las ondas de luz emitidas por un escáner laser, con una velocidad finita y constante a través de un medio. El escáner mide las distancias del entorno utilizando la tecnología de desfasaje [28].
2.1.9. Escala Es la relación de proporcionalidad existente entre la magnitud de un punto sobre la representación física o digital y su magnitud real en el terreno.
2.1.10. Fotogrametría Técnica que tiene como objetivo el estudio y análisis de la forma, dimensión y/o posición de objetos (Terrenos, construcciones, etc) a través de una o varias fotografías [29].
2.1.11. Geodesia Ciencia que estudia el tamaño, forma y campo de gravedad de la tierra, como la conformación de un sistema dinámico que permite el monitoreo de aspecto como: posicionamiento espacio temporal, variaciones de cuerpos de agua, entre otros [30].
2.1.12. Geomorfología Es la ciencia que estudia las formas de la superficie terrestre [31] y es fundamental para la caracterización de los suelos, riesgos y amenazas, para cartografiar la erosión, modelar glaciares y demás características geológicas. De manera adicional funciona como herramienta para estudios de ecología, agricultura y uso de la tierra [32]. El estudio de la geomorfología estudia las características de las geoformas: morfográficas, morfométricas, morfogenéticas y morfocronológicas; definiendo subdivisiones para caracterizar clima, superficie, subsuelo, formas, etc.
2.1.13. Levantamiento topográfico Estudio técnico y descriptivo de un terreno, que contiene información geográfica, características físicas y geológicas del terreno, además de sus alteraciones.
2.1.14. Lidar “Tecnología que permite medir la distancia entre un sensor y un objeto, a través de un rayo de luz láser para obtener medidas de posicionamiento georreferenciadas mediante modelos digitales tridimensionales de alta precisión” [33].
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2.1.15. Modelo digital de terreno Representación en formato digital 3D de una porción de la superficie terrestre. Se hace referencia a este como: Modelo digital de superficie (DSM) y/o Modelo digital de elevación (MDE) [28].
Hay tres grandes metodologías para generación de DEM’s, 1) Levantamiento de la superficie mediante técnicas topográficas; 2) Cartografía existente (Impresa o digital); 3) Percepción remota (análisis de imágenes satelitales, fotogrametría, etc.) [32].
2.1.16. Nube de puntos Conjunto de datos (puntos) con ubicación espacial dentro de un plano de referencia, los cuales están definidos por coordenadas X, Y, Z. Estos tienen como finalidad representar la superficie de un objeto [34].
La densidad de esta nube representa la calidad de la forma que representa el objeto, entra más alta, mayor será el detalle que se obtendrá al visualizarla.
2.1.17. Ortofotografía Representación del terreno en una fotografía, en proyección ortogonal. Esta es obtenida mediante la ortorectificación de aerofotografías, proceso de corrección de la distorsión geométrica [19].
2.1.18. UAV Estas siglas son el acrónimo de Unmanned Aerial Vehicle (vehículo aéreo no sin tripulación). Este puede ser controlado por un piloto en tierra mediante un control remoto, o volar autónomamente en función de un plan de vuelo. Inicialmente se usó como arma militar, pero ahora tiene múltiples usos como recreativo, investigativo, en cultivos, entre otros [35] [36].
2.2. MARCO TEÓRICO Un levantamiento topográfico compila la información física, geográfica y geológica de un terreno, la cual es plasmada en mapas o planos los cuales responden a una necesidad especifica. Este, es a su vez la aplicación interdisciplinaria de la topografía, geología, geodesia, cartografía y fotogrametría; ejemplificada en planos, cartografías o modelos.
Una de las herramientas más utilizadas en la topografía, son las nubes de puntos. Estas son un conjunto de datos (vértices) en un plano x, y, z, que localizan, conforman y representan objetos, bien sea reales o dibujados en computador.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Cuando se habla de nubes de puntos de alta densidad, no es más que los mismo datos x, y, z, a gran escala, aumentando la definición de estos objetos.
2.2.1. Nubes de puntos en la fotogrametría La fotogrametría digital de alta resolución permite visualizar y obtener imágenes ortográficas con texturización real, lo que permite definir los distintos elementos dentro de un modelo 3D de alta precisión métrica [37]. La metodología consta de tomar fotografías con un porcentaje de superposición entre ellas de mínimo 60%, esto aplica para levantamiento aéreo o terrestre.
Hay varios tipos de cámaras, lentes y sensores que pueden aumentar la cantidad de información obtenida en el levantamiento [38] [39]. De manera general, dentro de los tipos de cámaras aéreas se encuentran: con única armadura de lentes, con varias armaduras de lentes (Cámaras multibanda8, las cuales son además usadas en teledetección) y panorámicas. Los drones al ser equipos pequeños y de poca capacidad de carga poseen una cámara digital que capta datos RGB, información suficiente para procesar un modelo 3D.
Algunas de las aplicaciones directas de este método se ejecutan en:
• Arquitectura: toma de fechadas e interiores, generando modelos 3D de edificaciones. • Estatuaría9: modelamiento 3D con resultados de alta calidad. • Vitrales: captura y modelamiento de vitrales y objetos, ventanales, etc. • Topografía: obtención de modelos 3D del relieve, de la vegetación y de las características físicas del terreno en general. • Murales: texturización de grabados en muros de diferentes relieves con resultados muy precisos.
La nube de puntos es uno de los productos del software en el que se ejecuta el procesamiento de las fotografias, el cual además de solapar todas las imágenes, analiza en cada píxel la distancia a la cámara y determina un número de puntos por píxel, formando así la nube que a su vez representa la superficie u objeto de estudio.
Respecto a la escala de las fotografías a tomar, “en general se debe tener en cuenta que el más mínimo detalle del terreno discernible sobre la fotografía es aquel que tiene sobre esta una imagen de 1 píxel; por lo tanto, el mínimo detalle del terreno apreciable sobre la fotografía variará en función de la escala; por ejemplo: en una fotografía escala 1:30.000 el mínimo detalle discernible sobre ella, tendrá en el
8 Agrupación en bloque de 4 o 6 cámaras denominados canales. Cada cámara toma la misma porción de terreno, la variación de los datos radica en el tipo de filtro y película de cada una. 9 Referente a creación, análisis o visualización de estatuas. 20
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha terreno un tamaño de 3m” [40]; es importante tenerlo en cuenta para la determinación de los parámetros de vuelo con UAV, y así adquirir información útil según la calidad deseada.
2.2.2. Nubes de puntos en la tecnología LIDAR terrestre. La tecnología LIDAR consta de un emisor y receptor de pulsaciones laser, el cual puede medir distancias variables generando así, información en tres dimensiones del objeto o superficie de estudio [41]. El sensor LIDAR puede estar acompañado de otras herramientas que aumenten la calidad de la información, aunque solo el emisor laser tiene una buena precisión en distancias, lo que se ve reflejado en un modelo en tercera dimensión muy próximo a la realidad.
El scanner FARO realiza un barrido de la superficie según la densidad de puntos, calidad y área que se le asigne, al finalizar el escaneo toma fotografías de alta resolución lo que agrega información RGB. El resultado son una serie de escenas que se unen en un software que además permita visualizar la nube de puntos y el modelo. [42] [43].
2.2.3. Nubes de puntos en la Batimetría Para la realización de un levantamiento batimétrico, el método convencional consiste en la creación misma de la nube de puntos a medida que se va realizando el trabajo de campo, ya que se van obteniendo coordenadas x, y, más la profundidad del cuerpo de agua (z). El fin de este proceso, es unir las múltiples líneas batimétricas levantadas y es de gran importancia la cantidad de datos, ya que usualmente se desconoce la forma exacta del fondo, así que para entender y hacer un correcto modelamiento de este es importante tener la mayor cantidad de información.
Actualmente, existe el levantamiento con LIDAR batimétrico, el cual es mucho más preciso, rápido y al igual que el terrestre realiza un barrido cubriendo la superficie del fondo de un cuerpo de agua, generando entonces una nube de puntos densa con datos x, y, z. Cabe resaltar que esta tecnología tiene un costo elevado y es usada en proyectos de gran magnitud.
Entonces, las nubes de puntos son una herramienta universal producto de diferentes metodologías pero con el mismo “código” (x, y, z). Así mismo, que una caracterización topográfica es resultado de la interdisciplinariedad de tales metodologías, y representa un trabajo completo de lo que es un levantamiento topográfico, ya que abarca todas las características que puede tener un terreno donde no solo se quiere la información de altura, distancias o un plano con convenciones; sino que es un modelo cercano a la realidad con información de: relieve, vegetación, construcciones, cuerpos de agua, localización, forma,…, datos base para estudios más profundos.
21
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
2.3. MARCO NORMATIVO En Colombia, el instituto oficial encargado de los procesos de elaboración, actualización y evaluación de información cartográfica es el Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Así mismo es el encargado de la normatividad y de determinar especificaciones sobre la información geodésica. Como se asigna en:
• Decreto 2113 de 1992, “Por la que se reestructura el Instituto Colombiano Geográfico Agustín Codazzi”. • Ley 99 de 1993, “Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el Sector Público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental, SINA, y se dictan otras disposiciones”. • Decreto 208 de 2004, “Por el cual se modifica la estructura del Instituto Colombiano Geográfico Agustín Codazzi”. • Resolución 068 de 2005, “Por la cual se adopta como único datum oficial de Colombia el Marco Geocéntrico Nacional de Referencia: MAGNA-SIRGAS”.
2.3.1. Sistema de referencia horizontal Datum MAGNA -SIRGAS Según la resolución 68 de 2005, se adoptó un único marco geocéntrico nacional, el cual está basado en una serie de puntos georreferenciados, certificados por el IGAC.
Tabla 2 Sistema de coordenadas: GCS_MAGNA10
SISTEMA DE COORDENADAS GEOGRÁFICAS: GCS_MAGNA
CÓDIGO 4686
Unidad Angular: 0,017453292519943299 grados decimales
Primer Meridiano: Greenwich 0,000000000000000000 Grados decimales
Datum geodésico: MAGNA_SIRGAS
Elipsoide: GRS 1984
Semieje mayor: 6378137 m.
Semieje menor: 6356752,314 m.
Aplanamiento inverso: 298,2572221
10 Tomado de las especificaciones técnicas de cartografía básica digital [19] 22
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
2.3.2. Sistema de referencia vertical Según esta misma resolución, las alturas están referidas por el mareógrafo de Buenaventura, es decir, referidas al nivel medio del mar desde este punto.
Adicionalmente se reglamenta mediante las siguientes resoluciones, actividades para la producción o actualización de cartografía en Colombia:
• Resolución 63 de 1994, “Por el cual se establece las especificaciones técnicas mínimas que deben cumplir las personas naturales o jurídicas para realizar trabajos Aerofotográficos en el territorio nacional”. • Resolución número 64 de 1994, “Por la cual se establecen las especificaciones técnicas mínimas que deben cumplir las personas naturales o jurídicas para realizar trabajos fotogramétricos y cartográficos en el territorio nacional”. • Resolución 1392 de octubre de 2016, “Por medio de la cual se adoptan las especificaciones técnicas mínimas que deben tener los productos de la cartografía básica oficial de Colombia”11.
Así mismo, deben considerarse las siguientes Normas Técnicas Colombianas:
• NTC 5205: 2003, Precisión de datos espaciales. • NTC 5661: Metodología de catalogación de objetos. • NTC 5662:2010 Especificaciones técnicas de productos geográficos. • NTC 4611: Metadatos para productos geográficos. • NTC 5043:2010 Conceptos básicos de calidad de los datos geográficos. • NTC 5660:2010 Evaluación de la calidad. Procesos y medidas.
Conforme a la norma NTC 5662, las especificaciones definidas en este proyecto aplican los productos cartográficos:
• Cartografía básica • Ortofotomosaico • Modelos digitales de terreno
De manera general respecto a la realización de investigaciones en parques nacionales naturales, los lineamientos fueron aplicados con la resolución No. 0351 del 5 de octubre de 2012: “Por lo cual se adopta el lineamiento institucional de investigaciones del sistema de parques nacionales naturales”.
11 Esta resolución unifica las resoluciones 63 y 64 del 94, y establece nuevas especificaciones. 23
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Dentro de esta se aclara que para los investigadores las actividades permitidas dentro del SPNN, son aquellas establecidas en la Ley 2811 de 1974 en los artículos 331 y 332. Para el presente proyecto, por sus características y su actividad, se describen a continuación las normas relevantes:
Artículo 331. Las actividades permitidas en el sistema de parques nacionales son:
a) En los parques nacionales, las de conservación, de recuperación y control, investigación, educación, recreación y de cultura
Artículo 332. Las actividades permitidas en las áreas de sistemas de parques nacionales deberán realizarse de acuerdo con las siguientes definiciones:
b) De investigación: son las actividades que conducen al conocimiento de ecosistemas y de aspectos arqueológicos y culturales, para aplicarlo al manejo y uso de los valores naturales e históricos del país; c) De educación: son las actividades permitidas para enseñar lo relativo al manejo, utilización y conservación de valores existentes y las dirigidas a promover el conocimiento de las riquezas naturales e históricas del país y de la necesidad de conservarlas.
Dentro de los documentos normativos vigentes, no hay especificaciones a la actividad topográfica en zonas de reserva, alta montaña o zonas relacionadas a este proyecto de tesis. Sin embargo, El Sistema de Parque Nacionales Naturales de Colombia publicó en 2013 un “Instructivo para trabajos topográficos de Parques Nacionales Naturales”.
Dentro de este, se encuentran establecidos los requerimientos básicos, los documentos entregables y procedimientos principales en el ámbito predial, para adquisición de predios y levantamientos topográficos con otros fines [44].
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3. ANTECEDENTES
Los primeros acercamientos formales a la cartografía en zonas de alta montaña colombiana son producto de las expediciones realizadas por Alexander von Humboldt. A su paso por Colombia en 1801 midió los lugares que visitó, desde la costa Atlántica hasta Bogotá haciendo un redescubrimiento científico de las tierras americanas [26]. A pesar de que en este siglo (XIX) no se desarrollaron avances tecnológicos dentro del campo de la cartografía, si se dictaron varios decretos declarando esta necesidad [45].
Simultáneamente, Francisco José de Caldas para el año 1802, idea su trabajo cartográfico más representativo: Mapas botánicos y geográficos, donde plasma diversidad de clima y riqueza natural de los Andes americanos. Una serie de perfiles de los Andes construida de sur a norte, cubriendo desde Loxa 4°Latitud sur, hasta Cayambur al norte de Quito 0°30’. Este trabajo minuciosamente elaborado, juega un papel clave en debates que relacionan poblaciones y clima, además Caldas resalta los Andes como bien incalculable [46].
A diferencia de Humboldt el cual buscaba comprender el mundo entero, teniendo como muestra los Andes americanos; Caldas, centraba su trabajo en el desarrollo del Nuevo Reino de Granada [46]. Para su mala suerte la falta de recursos limitó su investigación y la publicación de esta.
Diez años después, se desarrolla una nueva expedición, La Comisión Corográfica (1850-1859), a cargo de los militares Agustín Codazzi y Tomás Cipriano de Mosquera. Este proyecto cartográfico implicó un temprano acercamiento al “paisaje cultural”. Mediante levantamientos parciales (Imagen 4) de zonas de importancia geográfica y riqueza natural, se levanta un mapa más detallado de Colombia [47]. A grandes rasgos se recorrieron 12.000 Km de los Andes, costas y llanos orientales [46].
Aparecen artículos de la Universidad Nacional como resultado de estudios desarrollados en zonas de alta montaña, en 1985 y 1986; donde se relacionan las variaciones topográficas con las diferencias de cobertura vegetal dentro de zonas de características similares, como el Mojarro – Páramo de Santo domingo y el Nevado del Huila [48], [49].
Paralelo al desarrollo de nuevas tecnologías, el IGAC pasa por una serie de actualizaciones, ampliando su trabajo y levantando información más especializada. En el 2003 publica el mapa de suelos de Colombia a escala 1:500.000, actualizando la cartografía de 1982 [50]. Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
En el 2007, el Instituto von Humboldt publica su Atlas de páramos de Colombia el cual recopila la información que tiene el país sobre estos ecosistemas. Dentro de este hay una completa clasificación de los complejos de páramos, sus características individuales y su estado actual [51]. Esta información es presentada a grandes rasgos y evidencia la falta de profundización, además del déficit de cartografía a escala local.
Para el año 2010, este mismo instituto lidera la realización de diferentes paneles de expertos para proponer consideraciones y criterios para la delimitación de los páramos [52]. No es hasta el año siguiente, que el Gobierno Nacional mediante la Ley 1450 de 2011, define como prioritario realizar la delimitación de páramos a escala 1:25.000 [53].
Al noroccidente del país, en un estudio dirigido por Thomas Van der Hammen, en el páramo de Frontino, se hace uso de las nuevas tecnologías. Entre ellas, el GTOPO3012, con resolución cercana a un kilómetro es base para la creación de un mapa especializado del norte de Sudamérica. Así mismo mediante el uso del software SURFER y DIDGER, se creó un modelo de elevación del páramo, a partir de la plancha 129-IV-C de escala 1:25000 del IGAC [54].
Para el año 2012, se actualizó la cartografía de referencia para los páramos a una escala 1:100.000. Dentro de esta actualización, el instituto Humboldt resaltó el grado de protección, ocupación y transformación del territorio. Así mismo, describió una serie de consideraciones para gestión y delimitación en aspectos biológicos, ecológicos y socioeconómicos de los páramos y la alta montaña colombiana [52].
Actualmente, el complejo Altiplano Cundiboyacense, ubicado en la cordillera oriental colombiana, hace parte del sistema de páramos de Colombia. Fue adicionado en 2013 a la actualización cartográfica del von Humboldt [55]. Para este mismo año, el instituto Agustín Codazzi firmó una alianza con el Instituto Alexander von Humboldt, para estudiar a detalle los suelos en ecosistemas de páramo con resultados a escala 1:25.000.
12 GTOPO30: Modelo de elevación digital del terreno, producido por el USGS (Servicio geológico americano). 26
Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Imagen 4 Lámina corográfica de las lagunas de Siecha. Fuente: Lámina 103 de la Comisión Corográfica, 1855.
Dentro de los últimos años se han realizado estudios especializados sobre el sistema de páramos. Dentro de estos, se encuentra el convenio de cooperación del Instituto Humboldt - corredor de ecosistemas estratégicos de la región central de la cordillera oriental (CEERCCO), el cual entregó resultados en el 2015. Su objetivo fue la identificación, compilación y actualización de la información para realización de estudios técnicos, sociales, económicos y ambientales a escala 1:25.000 [56]. Dentro del documento del convenio, los análisis del páramo Chingaza se realizaron con base en la cartografía del Humboldt a escala 1:100.000 y en imágenes satelitales a escala similar, así como en otros páramos con cartografía limitada.
Hasta el momento solo existe información parcial elaborada por el equipo de trabajo GMAS S.A.S. el cual corresponde a una investigación para el desarrollo del modelo 3D de la cuenca del rio Chuza. Este trabajo se desarrolló con base en el mapa de suelos de Colombia 1:100.000; las zonas más específicas se levantaron con drones generando imágenes 1:25.000 y 1:50.000. Dentro de las conclusiones de este proyecto se evidencia la falta de detalle de la cartografía la cual es insuficiente para el modelo que se planteó [57].
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
4. OBJETIVOS
4.1. OBJETIVO GENERAL Realizar la caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha haciendo uso de nubes de puntos de alta densidad.
4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Levantar información topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha a partir de la combinación de tres metodologías: batimetría, UAV y escáner laser terrestre. • Generar la superficie de la laguna sagrada de Siecha a partir de nubes de puntos de alta densidad. • Generar salidas graficas de información digital y cartográfica.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
5. METODOLOGÍA
Cumpliendo a cabalidad con los objetivos propuestos se desarrollaron dos grandes actividades: trabajo de campo y trabajo en oficina; las que a su vez se subdividieron en 4 fases de trabajo:
Fase I Planificación:
• Obtención de bibliografía. • Localización de la zona de estudio • Obtención de permisos para las tres actividades de campo a realizar: batimetría, levantamiento con UAV y con escáner laser. • Planeación de la toma de ortofotografías, desde vehículo aéreo no tripulado. • Planeación de la batimetría. • Planeación escaneo laser.
Fase II Recolección de datos:
• Levantamiento de ortofotografías mediante vuelo con UAV • Levantamiento batimétrico • Levantamiento con escáner laser terrestre
Fase III Procesamiento y producción de salidas graficas:
• Procesamiento de ortofotografías (UAV) • Trascripción y digitalización de batimetría • Procesamiento de escenas del escáner laser terrestre • Generación de superficies y salidas gráficas
Fase IV Unificación y análisis:
• Comparación y análisis de resultados obtenidos. • Organización de archivos y entregables digitales. • Generación de cartografía a escala 1:500 y 1:850. • Edición final del informe de investigación.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
5.1. FASE I: PLANIFICACIÓN Esta primera parte consistió en la búsqueda y obtención de bibliografía, la cual es información base para la selección de la zona de estudio ideal, donde se cumplan las exigencias del estudio y enseguida poder elegir las metodologías precisas con las que se realizará el levantamiento de los datos.
5.1.1. Zona de estudio El conjunto de tres lagunas de origen glacial llamado Las Lagunas de Siecha, está compuesto por Teusaca, una laguna pequeña a una altura de 3591 msnm; la Laguna de Guasca a 3609 msnm y finalmente por la laguna sagrada de Siecha a 3629 msnm, la cual es adicionalmente de significativa importancia para la comunidad Muisca.
La zona de estudio se limitó al cuerpo de agua conocido como la laguna sagrada de Siecha. El área definida es de aproximadamente 25 Ha las cuales cubren la laguna y la formación montañosa conocida como la Cuchilla de Siecha (Imagen 5).
Imagen 5 Zona aproximada de trabajo en la laguna sagrada de Siecha Fuente: Google Earth.
Ya que la zona de estudio escogida se encuentra dentro de la jurisdicción de PNN, es de gran importancia hacer el debido proceso para la obtención de los permisos y saber las normas a cumplir para poder ejecutar las actividades de campo. Dentro de las normas importantes que pueden afectar los levantamientos a realizar, está el hecho de no poder usar embarcación con motor dentro del cuerpo de agua.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
5.2. FASE II: RECOLECCIÓN DE DATOS EN CAMPO Para la realización del trabajo de campo se dividió cada actividad en un día de trabajo (4 horas netas), con el fin de cumplir con las normas del parque y teniendo en cuenta el tiempo de traslado a la zona de estudio.
5.2.1. Levantamiento fotogramétrico con UAV Luego de una inspección previa de la zona de estudio y siguiendo la metodología descrita por Riaño, Edgar [58], la planeación del vuelo consistió en la determinación de una serie de datos importantes basados en la siguiente información:
• Escala Media deseada: Haciendo un análisis de la información que se deseaba y la resolución aproximada que se quería obtener, se determinó que la escala adecuada para el producto de las fotografías aéreas fuese de 1: 2000.
• Altura media de vuelo: 퐴푙푡푢푟푎 푑푒 푣푢푒푙표 (퐻) = 퐸푠푐푎푙푎 ∗ 푑𝑖푠푡푎푛푐𝑖푎 푓표푐푎푙
• GSD (Ground sampling distance, distancia de muestreo de tierra):
푎푛푐ℎ표 푑푒푙 푠푒푛푠표푟(푚푚) ∗ 퐻 푑푒 푣푢푒푙표 ∗ 100 퐺퐷푆 = 푑𝑖푠푡 푓표푐푎푙 ∗ 푎푛푐ℎ표 𝑖푚푎푔푒푛 (푝푥푙)
• Altura de la huella en el terreno: 퐺푆퐷 ∗ 푎푙푡표 𝑖푚푎푔푒푛 (푝푥푙) 퐴푙푡표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) = 100
• Ancho de la huella en el terreno: 퐺푆퐷 ∗ 푎푛푐ℎ표 𝑖푚푎푔푒푛 (푝푥푙) 퐴푛푐ℎ표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) = 100
• Separación entre líneas de vuelo:
푟푒푐푢푏. 푙푎푡 푒푛 % 푆푒푝푎푟푎푐𝑖표푛 푙𝑖푛푒푎푠 푑푒 푣푢푒푙표 = 푎푛푐ℎ표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) ∗ ( 1 − ( )) 100
• Base en el aire 푟푒푐푢푏. 푙표푛푔 푒푛 % 퐵푎푠푒 푒푛 푒푙 푎𝑖푟푒 = 푎푙푡표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) ∗ ( 1 − ( )) 100
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
• Valores máximos y mínimos de la altura dentro de las cuales se cumplen las especificaciones de escala 푡표푙푒푟푎푛푐𝑖푎 % 퐴푙푡푢푟푎 푚í푛𝑖푚푎 = 퐴푙푡푢푟푎 푚푒푑𝑖푎 ∗ (1 − ( ) 100
푡표푙푒푟푎푛푐𝑖푎 % 퐴푙푡푢푟푎 푚á푥𝑖푚푎 = 퐴푙푡푢푟푎 푚푒푑𝑖푎 ∗ (1 + ( ) 100
• Tiempo de obturación de la cámara 퐵푎푠푒 푒푛 푒푙 푎𝑖푟푒 퐼푛푡푒푟푣푎푙표 푑푒 표푏푡푢푟푎푐𝑖표푛 = 푚 푣푒푙표푐𝑖푑푎푑 ( ⁄푠) Con base en estos parámetros se pudo comenzar el levantamiento con UAV no sin antes ubicar los puntos de control libres de obstáculos, continuando con la ejecución del vuelo con drone desde una altura intermedia.
Elementos y herramientas: Drone Phantom 3 professional, 4 baterías, 2 GPS Trimble 5800 (base y rover) más su bastón correspondiente y elementos para materializar los puntos de control.
5.2.2. Batimetría Para esta se usó la metodología con ecosonda pesquera ajustándola a las características de la zona. Esta toma de datos consistió en la recepción y anotación de los puntos de la superficie subacuática sobre los que se fue trasladando la ecosonda, haciendo una toma cada 2.2 metros en promedio. Para su posterior procesamiento se tomaron los puntos de inicio y fin de las líneas batimétricas con un navegador GPS Garmin.
Elementos y herramientas: Ecosonda Eagler Magna View plus con transductor y batería (de moto 12V), 2 cuerdas de 210 mts, bote inflable, chaleco salvavidas, celular (para grabar) y elementos para anotar los datos.
5.2.3. Escáner Laser El escáner ultra portátil de FARO permite medir objetos complejos rápidamente, lo cual implicó en primera instancia determinar la mejor ubicación de las escenas deseadas, los posibles obstáculos y resultados de la toma de los datos. Ya que tiene una cámara HDR de 8 MP que captura fácilmente imágenes detalladas [43], tomó información RGB que dependió de la luz del día (Dato que varío por la nubosidad repentina, que es característico en ecosistemas de paramo).
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Elementos y herramientas: Escáner FARO Focus 150, trípode, 4 esferas, GPS Garmín.
Al encender el equipo se asignaron parámetros de:
• Resolución • Densidad de puntos • Ángulos de barrido horizontal y vertical • Distancia del perfil de toma
Luego de definidas las condiciones para la realización del levantamiento, se inició la captura da las escenas, siempre teniendo en cuenta que el mínimo de esferas en común entre cada una debía ser de 3. Es importante tener en cuenta el tiempo límite de trabajo, eso determinó la cantidad de escenas a tomar.
5.3. FASE II: PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN Luego de la adquisición de los datos en campo se realizaron las actividades de oficina las cuales no tienen un orden especifico ya que son relativamente independientes entre ellas. Por el tiempo y el peso de los datos lo primero fue el procesamiento de las fotografías del drone:
5.3.1. Fotografías de UAV El primer paso consistió en la depuración de las fotografías para definir cuáles eran útiles y aptas para ser procesadas evitando que dentro de estas hubiera:
• Nubosidad • Sombras o luz que afecten la radiometría • Fotografías erróneas
Una vez hecho esto, en el software Context Capture se importaron las imágenes y se creó un bloque en el cual se procesaron las fotografías identificando los puntos de control, para que así el software traslapara cada una de estas y generara la visualización 3D del área levantada.
Luego de que termina el procesamiento, el software permite crear diferentes productos como los son: nube de puntos, modelo 3D y ortofotografía. Entonces se definió el sistema de referencia y se generaron los tres mencionados.
Posteriormente se hizo la clasificación de la nube de puntos en el software Global Mapper, para extraer los puntos de suelo y así se generó una superficie de la zona de estudio en Civil 3D. Dicha clasificación puede hacerse de manera automática, pero fue pertinente hacer ajustes de forma manual para evitar datos irrelevantes o que por el contrario quedaran áreas sin información.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
Respecto a la ortofotografía, esta se usó para la localización y corrección de la ubicación de aquellos productos obtenidos por los demás levantamientos, con el fin de unificar todo el trabajo.
5.3.2. Líneas batimétricas La ecosonda usada es de tipo pesquera lo cual implicó la toma de datos de forma manual para ser digitalizados luego. Una vez se tienen las profundidades, se determinaron las coordenadas de los puntos de inicio y fin de cada línea, y en consecuencia se adquirieron los puntos de cada toma (cada 2.2 metros).
Ya con la información de las líneas batimétricas lista, se dibujaron en el software, al igual que se digitalizó el borde de la laguna (con base en la ortofotografía), con el fin de completar los datos del modelo 3D a generado.
Se unieron entonces los datos y se trasladaron a la altura real, usando como referencia la elevación GPS adquirida de la lámina de agua. Finalmente se exportó el dibujo de Civil 3D, en formato XYZ y se subió como una nube de puntos completa para así, generar la superficie del fondo de la laguna.
5.3.3. Datos del escáner laser El procesamiento de las escenas se realizó en ReCap, ya que por sus características permitió el manejo de los datos del escáner sin modificar su formato original .FLS. Además, contiene una interfaz sencilla para la unificación de las nubes de puntos, por lo que permitió limpiar y exportar los resultados de manera práctica.
Se importaron los datos al software, continuando con la asignación de los target (en este caso las esferas) y la limpieza de puntos de ruido.
Entonces, se exportó la nube de puntos final para así generar dos productos: una superficie con datos de suelos clasificados en Global Mapper (aplicando la misma metodología usada en los datos del levantamiento con UAV) y una visualización 3D de vegetación especifica definida en campo, para su posterior estudio (el cual dependió de los datos obtenidos).
5.4. UNIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Este proceso comenzó con la definición del sistema de referencia Magna Sirgas en todos los archivos obtenidos, de tal manera que se ubicaron las superficies y los dibujos en las mismas coordenadas.
Respecto a las elevaciones, el punto de referencia fue la lámina de agua, así que también se hizo una unificación de esta elevación en cada uno de los productos.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
De esta actividad de unificación, salieron los entregables gráficos:
• Las nubes de puntos de los diferentes levantamientos • Los planos y cartografías a escala 1:500 y 1:850 • El .dem de la superficie total • La ortofotografía • Las visualizaciones en PDF 3D de la superficie con escáner y la vegetación. • Las superficies generadas
Finalmente se hicieron una serie de análisis: de la calidad y efectividad de las metodologías, de los resultados obtenidos y de los errores que pudieron mitigarse o evitarse tanto en el trabajo de campo como el procesamiento.
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
6. RESULTADOS
6.1. LEVANTAMIENTO DE LOS DATOS: La toma de datos se realizó en 3 días de trabajo diferentes, con el fin de ejecutar de la mejor manera cada actividad en el tiempo disponible de 4 hora netas. Se siguió el orden en el que se presentan a continuación: levantamiento con UAV, batimetría y levantamiento con escáner laser terrestre.
6.1.1. Levantamiento de fotografías con UAV Siguiendo la metodología de Riaño, con base en los datos que se encuentran en la Tabla 3 se calcularon los parámetros de vuelo, información base para el correcto desarrollo y cumplimiento de una buena toda de datos.
Tabla 3 Parámetros de vuelo, basados en metodologia de Riaño.
Escala media de las fotografías: 1:2000 Recubrimiento longitudinal deseado: 30% Recubrimiento lateral deseado: 70% Cotas del punto más bajo: 3550 Cota del punto más alto: 3790 Velocidad de vuelo: 15m/s Nombre la cámara: FC 300x DJI Distancia focal de la cámara: 3.61129 mm Ancho del sensor de la cámara: 6.24 mm Altura de la imagen en Píxeles: 3000 px Ancho de la imagen en Píxeles: 4000 px
• Altura media de vuelo: 퐴푙푡푢푟푎 푑푒 푣푢푒푙표 (퐻) = 퐸푠푐푎푙푎 ∗ 푑𝑖푠푡푎푛푐𝑖푎 푓표푐푎푙 퐻 = 2000 ∗ 3.61129푚푚 = 7.22푚푡푠
• GSD (Ground sampling distance, distancia de muestreo de tierra):
푎푛푐ℎ표 푑푒푙 푠푒푛푠표푟(푚푚) ∗ 퐻 푑푒 푣푢푒푙표 ∗ 100 퐺퐷푆 = 푑𝑖푠푡 푓표푐푎푙 ∗ 푎푛푐ℎ표 𝑖푚푎푔푒푛 (푝푥푙)
6.24 ∗ 7.22 ∗ 100 퐺퐷푆 = = 0.312푐푚/푝푥푙 3.61129 ∗ 4000
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Caracterización topográfica de la Laguna Sagrada de Siecha
• Altura de la huella en el terreno: 퐺푆퐷 ∗ 푎푙푡표 𝑖푚푎푔푒푛 (푝푥푙) 퐴푙푡표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) = 100 0.312 ∗ 3000 퐴푙푡표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) = = 9.36푚 100
• Ancho de la huella en el terreno: 퐺푆퐷 ∗ 푎푛푐ℎ표 𝑖푚푎푔푒푛 (푝푥푙) 퐴푛푐ℎ표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) = 100 0.312 ∗ 4000 퐴푛푐ℎ표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) = = 12.48푚 100
• Separación entre líneas de vuelo:
푟푒푐푢푏. 푙푎푡 푒푛 % 푆푒푝푎푟푎푐𝑖표푛 푙𝑖푛푒푎푠 푑푒 푣푢푒푙표 = 푎푛푐ℎ표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) ∗ ( 1 − ( )) 100 70 푆푒푝푎푟푎푐𝑖표푛 푙𝑖푛푒푎푠 푑푒 푣푢푒푙표 = 12.48 ∗ ( 1 − ( )) = 3.744푚 100
• Base en el aire 푟푒푐푢푏. 푙표푛푔 푒푛 % 퐵푎푠푒 푒푛 푒푙 푎𝑖푟푒 = 푎푙푡표 ℎ푢푒푙푙푎 (푚) ∗ ( 1 − ( )) 100 30 퐵푎푠푒 푒푛 푒푙 푎𝑖푟푒 = 9.36 ∗ ( 1 − ( )) = 6.552푚 100
• Valores máximos y mínimos de la altura dentro de las cuales se cumplen las especificaciones de escala 푡표푙푒푟푎푛푐𝑖푎 % 퐴푙푡푢푟푎 푚í푛𝑖푚푎 = 퐴푙푡푢푟푎 푚푒푑𝑖푎 ∗ (1 − ( ) 100 ퟏퟓ 푨풍풕풖풓풂 풎í풏풊풎풂 = ퟕ. ퟐퟐ ∗ (ퟏ − ( ) = ퟔ. ퟏퟑퟕ풎 ퟏퟎퟎ
푡표푙푒푟푎푛푐𝑖푎 % 퐴푙푡푢푟푎 푚á푥𝑖푚푎 = 퐴푙푡푢푟푎 푚푒푑𝑖푎 ∗ (1 + ( ) 100 ퟏퟓ 푨풍풕풖풓풂 풎á풙풊풎풂 = ퟕ. ퟐퟐ ∗ (ퟏ + ( ) = ퟖ. ퟑퟎퟑ풎 ퟏퟎퟎ
• Tiempo de obturación de la cámara 퐵푎푠푒 푒푛 푒푙 푎𝑖푟푒 퐼푛푡푒푟푣푎푙표 푑푒 표푏푡푢푟푎푐𝑖표푛 = 푚 푣푒푙표푐𝑖푑푎푑 ( ⁄푠) 6.552 퐼푛푡푒푟푣푎푙표 푑푒 표푏푡푢푟푎푐𝑖표푛 = = 0.4368 푠푒푔푢푛푑표푠 15 37
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Una vez obtenidos estos datos se hizo un nuevo análisis de la zona de estudio, para verificar que las alturas calculadas estuvieran acordes a la realidad del terreno. De igual manera, los datos obtenidos en esta planeación fueron clave para la ejecución adecuada del levantamiento con UAV y para la adquisición de los datos esperados. A continuación, una tabla resumen con los resultados del plan de vuelo:
Tabla 4 Datos para ejecución del vuelo con UAV Escala media deseada 1:2000 Atura media de vuelo 7.220 m GSD 0.312 cm/pxl Altura de la huella en terreno 9.36 m Ancho de la huella en terreno 12.48 m Separación de líneas de vuelo 3.744 m Base en el aire 6.552 m Valor mínimo de altura 6.137 m Valor máximo de altura 8.303 m Tiempo de obturación 0.4368 segundos
Teniendo en cuenta estos parámetros y los análisis previos, se realizó el levantamiento con UAV iniciando con la ubicación de los puntos de control. Para ello se usaron unas telas reflectantes blancas fijadas con unas barras metálicas como se observa en la imagen; se determinó en el terreno la mejor ubicación de estos, de tal manera que se pudieran visualizar, evitando obstáculos y garantizando que “cubrieran” la zona de estudio.
Se continuó con la ejecución del vuelo con drone desde una altura intermedia de 3780 msnm. Debido a las condiciones climáticas, como lo fueron ráfagas de viento y la presión atmosférica (0.624 [59]), el UAV requirió de asistencia manual para Imagen 6 Primer punto de control ubicado junto a la evitar cualquier inconveniente con el laguna. equipo y adicionalmente garantizar la Fuente: Ana Suarez efectiva toma de los datos.
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6.1.2. Batimetría La ejecución de la metodología en la batimetría comenzó con la instalación de los equipos en la embarcación y para a continuación ubicarla en el punto que sería el fin de la primera línea batimétrica (B1), donde se amarró el bote de un extremo y un ayudante se quedó sosteniendo la cuerda.
Imagen 7 Equipo de trabajo ubicando el bote en el punto B1 (20 de febrero). Fuente: Ana Suárez.
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Se midió la diferencia de altura entre el transductor y la lámina de agua, dato importante para determinar la altura real de la superficie subacuática. Se remó al otro extremo de la laguna con el fin de marcar con la otra cuerda el inicio de la línea a tomar (A1). Ya teniendo fija la embarcación de ambos extremos, jalando se desplazó la embarcación a baja velocidad mientras se anotaban cada 2.2 metros la profundidad que marcaba la ecosonda, esto hasta terminar la primera línea batimétrica (finalizando en B1).
Imagen 8 Líneas batimétricas del proyecto. Fuente: Ana Suárez.
En la Imagen 8 se pueden observar las líneas tomadas y el sentido en el que se grabaron los datos (iniciando en A y finalizando en B). Las líneas se tomaron en dos salidas de campo diferentes, pero se les asignó una nomenclatura para tener un orden al momento de procesar el modelo y la superficie resultante.
6.1.3. Escáner Laser Este escáner dispone de un alcance importante, así que lo primero fue determinar un área de importancia para realizar el levantamiento donde además se pudieran ubicar las esferas y que estas fueran visibles y al igual que el escáner mismo. Se procedió a armar el equipo y ubicar las esferas por encima de la vegetación.
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Imagen 9 Ubicación del escáner laser Faro en la segunda escena tomada. Fuente: Ana Suárez
Al encender el equipo se le asignaron los siguientes parámetros:
• Resolución media • Densidad de puntos media • Ángulos de barrido horizontal 360° y vertical 90°a -90° • Perfil de toma de 20m
Ya que el terreno se encontraba libre de transeúntes, el proceso de escaneo consistió en esperar a que el equipo operara en un tiempo promedio de 15 minutos por cada escena. La cantidad de escenas se limitaron precisamente al tiempo disponible de trabajo, lo que permitió realizar 4 de ellas. Finalmente se guardaron los datos y simultáneamente a esto, con la ubicación del escáner en una nueva escena, se tomaron coordenadas con el navegador GPS.
6.2. PROCESAMIENTO Y PRODUCCIÓN DE SALIDAS GRÁFICAS Luego de la obtención de todos los datos en campo, se procedió realizar el procesamiento de cada nube de puntos para la posterior producción de superficies y salidas gráficas.
6.2.1. Fotografías de UAV El primer paso fue la selección y depuración de las fotografías, de tal manera que al software solo se importaran aquellas que eran útiles y aptas para ser procesadas evitando que dentro de estas hubiera: nubosidad, sombras o luz que afecten la radiometría y fotografías erróneas.
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Una vez hecho esto, se abre el software Context Capture y se procede a crear un nuevo proyecto. Al importar las 347 fotografías el programa de manera automática obtiene la información de la cámara, lente, sensor y fotografías, permitiendo así, hacer de manera inmediata una visualización previa de aerotringulación con el fin de analizar la ubicación aproximada de las fotografías aéreas.
A continuación, se crea otro bloque13 en el cual se va a realizar el procesamiento completo de las fotografías.
Imagen 10 Interfaz de trabajo de ContextCapture en la pestaña Surveys. Fuente: Ana Suarez.
Como se observa en la Imagen 10, en la pestaña Surveys se identifican y adicionan los puntos de control (los cuales fueron 3) en las fotografías, consiguiendo así precisar la ubicación, escala y las alturas de los datos en proceso. El paso siguiente, es iniciar la aerotringulación poniendo a procesar los datos, lo que consiste en que el software traslapa, compara y estudia cada píxel referenciándose en los puntos de control, identificando la forma del terreno y formando una visualización 3D de la zona de estudio.
13 El espacio de trabajo en el software ContextCapture se divide en carpetas identificadas como bloques. 42
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Una vez el equipo termina el proceso, el software permite crear diferentes productos: nube de puntos, modelo 3D y ortofotografía.
Imagen 11 Ventana de Context- Capture donde se observa el resultado en 3D. Fuente: Ana Suárez.
Para la producción de los datos a exportar se define el sistema de referencia Magna Sirgas, y se generaron los tres productos mencionados anteriormente.
• Para la nube de puntos fue necesario asignar la densidad que esta iba tener, así que se generaron dos, una de baja densidad y una de media (amabas en formato .laz). Est con el fin de definir, con base en el peso y cantidad de puntos, cuál era conveniente para el postproceso. • El modelo se exportó en 3SM y 3MX. • Y finalmente se generó la ortofotografía.
Una vez obtenida esta última, fue herramienta principal para la georreferenciación de los demás datos procesados. Adicionalmente, con base en esta se hizo una digitalización de la vegetación que podía distinguirse y se creó así un conjunto de mapas temáticos a escala 1:500 y 1:850 de distribución de flora14 como se observa en la Imagen 12.
Respecto a la nube de puntos, esta tuvo el mismo tratamiento que la información obtenida del escáner (Ver Datos del escáner laser) con la diferencia de que fue más complejo el tratamiento de estos datos, por el peso de la nube de puntos generados, aun usando la que se generó con baja densidad.
14 La clasificación de vegetación se hizo con base en el documento Fragmentación y estado de conservación en páramos de Colombia (Arellano y Rangel) [86]. 43
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Imagen 12 Cartografía 1:850, Vegetación de la laguna sagrada de Siecha. Fuente: Ana Suárez
6.2.2. Líneas batimétricas Ya que la ecosonda usada era de tipo pesquera los datos adquiridos en campo fueron anotados manualmente, lo que implicó en primera medida digitarlos en Excel; para corroborar los datos se verificaron los videos tomados de las líneas batimétricas.
Una vez hecho eso, se determinaron las coordenadas de los puntos de inicio y fin de cada línea, con los datos tomados del navegador y comparándolas con la ortofotografía del drone (Ver Imagen 8) determinando así, las coordenadas de todos los puntos de cada línea batimétrica. Lo siguiente fue asignarle las alturas a cada punto de manera manual en Civil 3D, esto con el fin de certificar la veracidad de los datos y la coherencia con la forma de la laguna:
Finalizado este proceso, fue necesaria la digitalización del borde de la laguna y la extracción de puntos útiles del procesamiento del drone para complementar la información. Una vez se tienen todos los puntos en un mismo archivo se ubican en las alturas de elevación real de la laguna, esto con base en los datos de la ortofoto y de los puntos de control tomados con GPS (3629.353m fue la altura base de la lámina de agua obtenida).
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Para concluir, se exportan todos los puntos dibujados en formato XYZ y se suben como una nube de puntos final, creando así la superficie en Civil 3D con una diferencia entre curvas de 50 centímetros, obteniendo el siguiente resultado:
Imagen 13 Superficie batimétrica de la laguna sagrada de Siecha. A la izquierda en vista X-Ray, a la derecha el tipo de vista es Conceptual. Fuente: Ana Suárez, del software Civil 3D
Debido a que la superficie es considerada por el software como una unión de triángulos y no como un sólido, fue necesario para el cálculo del volumen crear dos superficies adicionales con el fin de obtener la información “dentro” de la zona de la laguna. Para ello se tomaron parte de los datos de la batimetría, pero modificando su altura al nivel de la lámina de agua, más los datos del borde de la laguna, construyendo una superficie plana que hizo de cubrimiento de la laguna.
Esto permitió generar una tercera superficie de volumen, la cual se crea haciendo una “comparación” entre las dos superficies mencionadas, obteniendo finalmente la información aproximada de volumen de agua del día en que se realizó la batimetría.
6.2.3. Datos del escáner laser Con ayuda del software de Autodesk ReCap se unificaron las escenas. Se creo un nuevo proyecto y una vez cargados los datos en el programa se le indicó que hiciera un filtro estándar y que tuviera un rango de recorte de 120 metros con intensidad del 100%. Una vez importada la información, se etiquetaron los targets (en este caso las esferas) que tenían en común las imágenes y así el software unió las escenas.
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Imagen 14 Espacio de trabajo en ReCap Fuente: Ana Suárez
Como se observa en la Imagen 14 en el cuadro principal, se vislumbran dos de las esferas etiquetadas y de fondo la laguna de Siecha. En el recuadro superior derecho de la pantalla se pueden ver unos círculos grandes negros los cuales son la ubicación del escáner en las diferentes tomas; de manera estratégica se hicieron las tomas alrededor de un frailejón para realizar un modelamiento individual de este y hacer un análisis sobre los resultados, proceso que se describirá más adelante.
Este software permitió la unificación de la nube de puntos, de la cual salieron dos productos: uno que fue la nube completa para el estudio y creación de una superficie, y otro que consistió en la separación de vegetación especial como lo fueron un grupo de frailejones. Ver carpeta 3_Salidas gráficas y modelos 3D.
Para el primero, se hizo una breve limpieza de puntos, ya que por la variación en la información RGB y por las condiciones de viento, la vegetación se movía y no fue sencillo el traslapo de las diferentes escenas. Luego de realizada la limpieza, se continuo con la exportación de estos en formato .PTS el cual puede ser leído por diferentes softwares de clasificación [60].
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Una vez el software terminó la exportación de los datos obtenidos, se importaron en el software Global Mapper donde se clasificaron los puntos de suelo15, para a continuación conseguir una superficie bien aproximada a la forma del terreno, discriminando la vegetación y otros datos que generaban ruido en este proceso.
Inicialmente y para facilitar el trabajo, se ejecutó una clasificación automática mediante la combinación de diferentes parámetros que permite asignar el software (Ver Imagen 15), como: pendiente media del terreno (naranja), máxima variación en alturas, altura mínima de valores que no sean suelo (vegetación Imagen 15 Ventana de clasificación automática en Global Mapper. agua, otros; roja) y desviación de Fuente: Ana Suárez curvatura (flecha azul).
Ya que el algoritmo de clasificación en Global Mapper depende de la comparación de puntos respecto a los que están a su alrededor, este último parámetro de desviación hace referencia al área de separación que hay entre punto y punto; aquel valor puede asignarse en metros o en espaciamiento porcentual [61].
Imagen 16 Superficie resultante del escáner Faro Focus 150. Fuente: Ana Suárez, de software Civil 3D
15 Este proceso de clasificación es el mismo que se le realizó a la nube de puntos del vuelo con UAV, cambiando únicamente la densidad de puntos de trabajo. 47
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La clasificación automática, fue complementada con un análisis y clasificación “manual” de los puntos. Este proceso de combinar dos trabajos de clasificación se hizo varias veces con el fin de reducir la densidad de la nube de puntos y de evitar información redundante la cual complicaba la creación de la superficie final.
Una vez editados y clasificados los puntos de suelo, fueron exportados como nube en formato X, Y, Z, Intensify (.xyzi) el cual es de tipo texto y que además se puede subir fácilmente a Civil 3D como grupo de puntos y así crear la superficie.
Finalmente, estos datos se georreferenciaron con base en los puntos GPS tomados en campo, corroborando la localización con la ortofotografía anteriormente elaborada.
El segundo producto, fue resultado de editar y limpiar la nube de puntos original para poder visualizar únicamente aquellos frailejones que se encontraron dentro del área de escaneo y con suficientes puntos para poder analizarlos y medirlos.
Para precisar los datos se realizó nuevamente el proceso de importación de los datos a ReCap, cambiando los parámetros iniciales a filtro agresivo y se asignó un rango de recorte de 96 metros con intensidad del 100%.
Imagen 17 Nube de puntos de frailejones. Fuente: Ana Suárez, de software ReCap.
Esta nube de puntos se manejó de la misma manera que la de superficie, se exportó a .PTS y en el software Global Mapper, una segunda vez a formato .LAS y finalmente un formato de visualización muy práctico .PDF (3D) el cual al igual que los demás entregables, se encuentra en anexo al documento en 3_Salidas gráficas y modelos 3D> PDF 3D
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Como resultado del procesamiento y clasificación de la información levantada, se generaron diferentes superficies: una batimétrica, otra de la formación montañosa, una derivada de la unión de estas dos anteriores y finalmente una de un área específica levantada con el escáner. Todas estas se encuentran en formato .DWG.
6.3. SALIDAS GRÁFICAS Como entregables finales se encuentran: los planos y modelos, ya procesados de la caracterización final de la Laguna Sagrada de Siecha; dentro de estos están:
• Las nubes de puntos de los diferentes levantamientos, en formatos como: pts, .las, .txt, .laz, .e57 y .rcp. • Los planos y cartografías a escala 1:500 y 1:850 de vegetación y curvas de nivel, tanto en formato .DWG como en .PDF. • El .dem de la superficie total • La ortofotografía • Las visualizaciones en PDF 3D de la superficie con escáner y los frailejones. • Las superficies obtenidas, todas en formato .dwg.
6.4. ANÁLISIS Comenzando con la unificación del sistema de referencia a MAGNA SIRGAS, se analizaron ciertas cosas:
• Las fotos del UAV vienen ya georreferenciadas en WGS84, así que no requieren de ninguna proyección. • Los datos de la batimetría (los puntos de inicio y fin de las líneas tomados con navegador GPS) tuvieron buena precisión respecto a la comparación con la ortofoto final obtenida del vuelo con UAV y permitieron determinar las alturas de la lámina de agua. • El escáner Faro no tenía información de referencia, así que la nube de puntos tenía datos arbitrarios, por lo cual fue útil tomar unos puntos de localización con navegador, que igualmente fueron corroborados con la ortofoto del drone.
6.4.1. Análisis de información obtenida del terreno Respecto al cuerpo de agua se obtuvo una profundidad máxima de 33.5 metros, aunque se sabe que la laguna tiene zonas de mayor profundidad; debido a la dificultad de la toma de datos y el poco tiempo disponible, fue complicado tener la suficiente cantidad de puntos y líneas batimétricas. Respecto a la superficie en general se obtuvieron los siguientes resultados:
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• Área total de la superficie: 233017.704 m² o Área de la lámina de agua: 62274.913 m² o Área de terreno “seco”: 170742.791 m² • Volumen de agua: 961146.52 m³ • Profundidad máxima de la laguna: 33.5 m • Profundidad promedio de la laguna: 26.635 m • Altura real de la lámina de agua:3629.353 msnm • Altura máxima del terreno respecto a la lámina de agua: 71.96 m • Altura mínima del terreno respecto a la lámina de agua: -80.11 m • Pendiente media del terreno total: 58.94% o Pendiente media de la zona subacuática: 49.94% o Pendiente media del terreno seco: 61.67%
De la formación montañosa se determinó que la mayor altura tomada en la Cuchilla de Siecha es de 3701.313 msnm. Debido a que el día en que se realizó la adquisición de las fotografías con UAV había nubosidad, es posible que no se tomaran los datos más altos de esta formación montañosa; a diferencia, de unas áreas por fuera y más abajo de la zona de estudio que se tomaron de manera adicional, todo esto porque su ubicación permitió y facilitó el levantamiento, ya que no se encontraban dentro de la nubosidad a una altura de 3549.243 msnm.
Adicionalmente, de la superficie del escáner se obtuvo que en esa área:
• La elevación máxima es de 3769.680 msnm • La elevación mínima es de 3751.884 msnm • Elevación media de 3760.060 msnm • Área: 7185.25 m² • Pendiente media de: 60.41%
6.4.2. Análisis de elevaciones (Drone y escáner) Para realizar la comparación se exportaron cada una de las superficies en formato XML, reduciendo el peso de ambos archivos; se importaron al mismo archivo en Civil 3D y se hizo una primera comparación visual.
A primera vista, es casi imperceptible la diferencia de las elevaciones y de formas del área de estudio. Es evidente que el detalle del terreno es mayor en los datos del escáner por su precisión en distancias y el drone desarrolla menos información de suelo, por el ángulo de toma de las fotografías que es prácticamente ortogonal, tomando la vegetación y perdiendo información del suelo.
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En la Imagen 18 se pueden observar los resultados del traslapo y comparación de las dos áreas, la superficie resultante del escáner contenida en las curvas de nivel sueltas de la superficie del drone con el fin de visualizar mejor esta zona en especial.
El trabajo del escáner se ubicó en una zona de gran densidad frailejonal baja, así que estas imágenes reflejan que los resultados del drone son bastante acertados y cercanos a la realidad que se ve en la información obtenida por el escáner. Es relevante resaltar la importancia de la corrección de la elevación en la nube de puntos desarrollada por el UAV, ya que pierde mucha precisión en altura.
Imagen 18 Vista norte-sur comparando superficies. Fuente: Ana Suárez, del software Civil 3D
Para hacer un análisis más a profundidad, se agregó un boundarie a los datos del UAV, con un polígono extraído del borde de la superficie con escáner. Esto con el fin de obtener el volumen en medio de estas dos superficies y analizar los resultados que fueron:
Tabla 5 Datos de superficie comparativa Drone-Escáner.
Elevación mínima -3.384 m Elevación máxima 3.365 m Elevación promedio -0.044 m Volumen de corte 3241.970 m³ Volumen de relleno 2923.780 m³ Volumen Neto 318.190 m³ Área 7185.250 m²
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Con estos datos y haciendo una relación entre el volumen neto y el área de estudio, se obtiene que la diferencia media de altura es de 4.428 cm:
푉표푙ú푚푒푛 = 퐸푙푒푣푎푐𝑖ó푛 Á푟푒푎
318.190 m³ = 0.04428 푚 7185.250 m² 6.4.3. Análisis de vegetación visible en la ortofotografía Haciendo una clasificación visual de la orto-fotografía con base en el documento de Arellano y Rangel [62], se dividió el área de estudio en 13 coberturas vegetales; en la siguiente tabla se observan los resultados en términos de área representada en metros cuadrados y su correspondiente porcentaje respecto al área total clasificada (221886.229 m²).
Tabla 6 Clasificación de la vegetación en la laguna sagrada de Siecha ÁREA CLASIFICACIÓN m² %
Afloramiento Rocoso 13632.110 6.144 Chuscales con matorrales frailejonales y pajonales 8014.219 3.612 Frailejonal alto entremezclado con matorral bajo y pajonales 16294.843 7.344 Frailejonales bajos entremezclados con matorrales bajos y pajonales 6600.984 2.975 Frailejonales bajos entremezclado con pajonales 3952.058 1.781 Matorral bajo 19452.166 8.767 Matorrales altos entremezclados con chuscales 37503.469 16.902 Matorrales altos entremezclados con herbazales y pajonales 3697.540 1.666 Matorrales bajos entremezclados con chuscales y frailejonales 24749.848 11.154 Pajonal entremezclado con matorral bajo y frailejonal 12487.309 5.628 Pajonales entremezclados con matorral bajo 7825.448 3.527 Rosetales fralejonales entremezclados con pajonales y matorrales bajos 3993.027 1.800 Vegetación con cojines entremezclados con pajonales rosetales y matorral bajo 1408.596 0.635 Cuerpo de agua 62274.610 28.066 Hay una diferencia significativa respecto al área de la superficie de estudio (1 Ha de diferencia) porque dentro de la ortofotografía se discriminaron áreas donde no era claro el tipo de vegetación, además la precisión de la digitalización es mucho menor que la obtenida con la nube de puntos, lo cual se ve reflejado en la diferencia de áreas totales.
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7. CONCLUSIONES
En la Laguna Sagrada de Siecha se obtuvieron resultados favorables del uso de las tres metodologías propuestas en el presente proyecto de grado. Enfrentado las dificultades climáticas y geomorfológicas del terreno, por la combinación de formaciones rocosas y un cuerpo de agua de gran profundidad, se adquirió una importante cantidad de información la cual pudo ser procesada exitosamente y a diferencia de lo que se consideró inicialmente, no hubo redundancia en los datos.
El tiempo estimado para las actividades fue óptimo y por ello se concluye que, dadas las condiciones del terreno y accesibilidad, es de gran utilidad dividir el trabajo en actividades más pequeñas, así se garantiza la toma total de los datos.
Finalmente, la información obtenida cumplió con los objetivos y permitió hacer análisis adicionales a los esperados inicialmente, demostrando la calidad y utilidad de los datos adquiridos a partir del uso de nubes de alta densidad. En primera instancia se esperaba únicamente analizar las salidas gráficas, es decir, las áreas, volúmenes y formas (de manera general); pero gracias a la información adquirida adicionalmente, fue posible una comparación entre la información obtenida del escáner y del UAV, una clasificación de vegetación a una escala significativa (1:500) y una comparación entre áreas digitalizadas y áreas obtenidas por nubes de puntos.
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8. RECOMENDACIONES
Es importante al momento de realizar un proyecto de este tipo tener en cuenta en las actividades de campo:
• Realizar una inspección previa de la zona de estudio, tomando fotos y videos, ya que la memoria puede fallar y es posible que se pasen por alto aspectos importantes de las características del terreno. • Ya que las actividades deben ceñirse a la normativa del SPNN y a los permisos de acceso, lo mejor es preparar distintas fechas, garantizando que se tienen los equipo y al transporte, evitando así, malgastar la fecha del permiso. • Se deben tener en cuenta las condiciones propias del clima en el páramo (cambios de temperatura, lluvias, humedad o nubosidad repentinos) ya que es posible perder la salida. Se recomienda dividir entonces, el trabajo en actividades pequeñas que puedan realizarse a pesar de las dificultades que puedan presentarse, evitando complicaciones y alteraciones del cronograma. • Cada actividad es importante y así mismo, cada una requiere de un plan de trabajo minucioso previamente elaborado, considerando la mayor cantidad de probabilidades buenas o malas, así se ahorra tiempo valioso para hacer las tareas programadas, • A pesar de tener un límite de herramientas o equipos para llevar al área de trabajo, es importante tener en cuenta que estas zonas son aisladas y cualquier elemento que no se lleve consigo, posiblemente dificultaría la ejecución de la actividad programada e incluso la impediría del todo. • Es muy importante conocer el funcionamiento de los equipos que se usaran en el trabajo de campo, en condiciones similares a las que se someterán en la actividad real, porque un error o accidente implica una pérdida de tiempo y dinero considerable. Además, tener un conocimiento previo del uso adecuado de los equipos permite controlar situaciones como sucedió con el drone, que requirió de un vuelo manual y pudo hacerse la toma de los datos a pesar de por los fuertes vientos. • Se recomienda también, respecto a la realización del levantamiento batimétrico, tomar la mayor cantidad de líneas o datos, ya que, comparado con las nubes de puntos de los otros levantamientos, es significativa la baja proporción de la información que se obtiene de esta actividad.
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Respecto al trabajo en oficina, la principal recomendación es tener asegurado el acceso a un buen computador, ya que la densidad de los datos es alta y puede alargar o incluso impedir el procesamiento de estos mismos. Igualmente, tener unidades de almacenamiento capaces de soportar el peso de todos los datos obtenidos y que se generan durante el procesamiento.
Finalmente, respecto al procesamiento de la información es importante tener claro el formato en que viene los datos crudos y que softwares permiten el estudio o conversión de este formato, e igualmente en que formatos se pueden exportar los resultados. Además, es necesario saber si estos softwares requieren de licencia o si son de libre acceso.
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9. ANEXOS
1. Planos 1.1. PDF 1.1.1. Cartografia_de_curvas_nivel_Plano_1_de_4.pdf 1.1.2. Cartografia_de_curvas_nivel_Plano_2_de_4.pdf 1.1.3. Cartografia_de_curvas_nivel_Plano_3_de_4.pdf 1.1.4. Cartografia_de_curvas_nivel_Plano_4_de_4.pdf 1.1.5. Mapa_Vegetación_Plano_1_de_4.pdf 1.1.6. Mapa_Vegetación_Plano_2_de_4.pdf 1.1.7. Mapa_Vegetación_Plano_3_de_4.pdf 1.1.8. Mapa_Vegetación_Plano_4_de_4.pdf
2. Salidas gráficas y modelos 3D 2.1. DEM 2.1.1. DEM_Siecha_Superficie.dem 2.2. Orthofotografias 2.3. PDF 3D 2.3.1. Visualización_Escaneo_Laser.PDF 2.3.2. Visualización_Frailejones.PDF
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10. REFERENCIAS
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