Explotació de les dades primàries: ortoXpres

Durant els darrers anys hem assistit a l’aparició de grans publicadors de cartografia, encapçalats amb un gran èxit per l’omnipresent GoogleEarth. La irrupció en el mercat cartogràfic d’aquest tipus d’aplicacions ha comportat un canvi d’hàbits tant en els usuaris habituals de la cartografia digital com en aquells que, fins a aquest moment, no utilitzaven recursos cartogràfics, o ho feien de manera molt limitada i esporàdica; provocant una generalització en l’explotació de cartografia digital per al gran públic. El producte que ha tingut una major projecció dins del nou entorn d’explotació són els mapes d’imatge o ortofotomapes, amb finalitats absolutament diferents, anant des de les aplicacions més professionals de georeferenciació cartogràfica fins a un ús purament lúdic de la informació.

Aquests nous actors han provocat canvis importants en la mentalitat de les empreses productores de cartografia, per tal de poder oferir al públic professional productes cartogràfics d’alta qualitat geomètrica que, al mateix temps, puguin satisfer les demandes d’aquest públic en uns terminis menors i garantint la universalitat i gratuïtat de la informació.

La producció cartogràfica: nous temps, nous productes

Fins a aquest moment, les empreses productores de cartografia invertien molts esforços en garantir una alta qualitat cartogràfica, que requereix d’un elevat nombre de processos de control de qualitat, edició manual i homogeneïtzació de les sèries cartogràfiques que es produïen. Aquest fet comporta, sense poder evitar-ho, un elevat temps de dedicació i de producció abans que cada full de qualsevol sèrie pugui estar a disposició dels usuaris.

En la producció cartogràfica intervenen dos aspectes que són directament proporcionals: la qualitat del producte desitjat i el temps necessari per a realitzar-lo. Això significa que quant més precís ha de ser un mapa en termes geomètrics i radiomètrics, més recursos seran necessaris per a dur-lo a terme i, per tant, si posem el llindar de la precisió molt amunt, hem d’esperar temps de producció elevats. Amb l’evolució dels sistemes informàtics s’aconsegueix constantment una major capacitat de procés i una major capacitat d’emmagatzematge, el que podria fer pensar que es pot aconseguir reduir significativament el temps de producció de la cartografia; però això difícilment s’aconsegueix perquè l’exigència de precisió i qualitat dels productes cartogràfics evolucionen a una velocitat no equivalent, sinó major. Per exemple, quan la capacitat d’emmagatzematge dels equips tradicionals de sobretaula era de l’ordre del centenar de Gigabytes, es necessitaven aproximadament 900 GB d’espai en disc per tal d’emmagatzemar les imatges comprimides del vol fotogramètric per a produir l’ortofoto de Catalunya amb un píxel de 50cm. En l’actualitat, quan alguns equips de sobretaula ja disposen de discos de l’ordre del Terabyte, es necessitaran més de 50 TB per tal d’emmagatzemar les imatges comprimides del nou vol fotogramètric que resultarà en una ortofoto de 25cm de píxel.

En aquest escenari d’augment incessant de la precisió i qualitat que s’exigeix als productes és molt difícil poder reduir els terminis de lliurament, fent que rarament es puguin mantenir per sota de l’any per a una sèrie completa de l’ortofoto de Catalunya. Per aquest motiu, es fa necessari, en les empreses productores de cartografia, adoptar una nova perspectiva en la publicació de dades, que permeti un major accés a la informació per part del gran públic.

Aquesta nova perspectiva va més enllà d’intentar reduir els terminis de lliurament dels productes tradicionals. Es tracta de crear nous productes de menor qualitat i prestacions, que siguin més àgils i requereixin temps de producció molt menors. Aquest és un canvi de mentalitat important en empreses com l’Institut Cartogràfic de Catalunya, que sempre estan posant especial èmfasi en tots els aspectes relacionats amb la qualitat geomètrica però que, alhora, han de ser capaces de posar a disposició del públic un major nombre de fonts de dades i garantir, a la vegada, la màxima velocitat d’actualització de la informació.

Tal i com s’ha comentat, aquesta nova aproximació ha vingut motivada en gran mesura per l’aparició dels grans publicadors de cartografia, que han donat més importància a la universalitat i actualització de la informació, que no pas a la qualitat radiomètrica o geomètrica de la mateixa. Aplicacions com GoogleEarth han fet evident que existeix un elevat nombre d’usuaris que no tenen cap necessitat de disposar de precisions centimètriques o tenir una continuïtat radiomètrica en tot el territori, però sí estan interessats en disposar de les dades més actuals i de major resolució de cada territori. Tot i que la qualitat radiomètrica i geomètrica dels productes són aspectes irrenunciables per a una empresa productora (no només publicadora) de cartografia, és cert que els productors de dades necessiten fer un esforç per tal de satisfer aquests nous usos de la cartografia.

El nou producte de l’ICC: ortoXpres

El nou producte que l’Institut Cartogràfic de Catalunya ha posat a disposició de tots els usuaris i que va ser presentat a la fira GlobalGeo celebrada a Barcelona durant el mes de març d’enguany és l’ortoXpres.

ortoXpres és un servei WMS d’accés lliure i gratuït per a tots els usuaris que es basa en l’explotació directa dels fotogrames dels vols fotogramètrics. Això permet posar a disposició del públic tots els vols que realitza l’Institut: tant els que s’han realitzat amb la finalitat de donar cobertura a l’ortofoto i que, per tant, acabaran publicats per la via tradicional; com aquells que estaven destinats a la realització de cartografia topogràfica de nuclis urbans, que mai s’havien explotat com a mapes fotogràfics.

Aquesta explotació directa dels vols fotogramètrics consisteix en lliurar a l’usuari la informació de l’àrea sol•licitada, sempre i quan aquesta estigui compresa dins d’un mateix parell fotogramètric. Aquesta és una primera limitació important, ja que significa que l’àrea sol•licitada pels diferents clients no pot ser superior a l’àrea compresa per un fotograma, ja que l’aplicació que serveix la cartografia buscarà el fotograma on la informació sol•licitada està més centrada, crearà la imatge corresponent en funció de les opcions desitjades i la servirà en els formats habituals de treball dels serveis WMS.

Aquest funcionament suposa una diferència significativa respecte els sistemes de publicació habituals, ja que ortoXpres crea la informació abans de servir-la. Si tenim en compte que un vol fotogramètric és realitza amb un solapament longitudinal típicament del 60%, ens trobem que tot el territori està recobert des de diversos punts de vista. Això permet al sistema cercar el millor fotograma possible abans de lliurar la informació en qualsevol dels dos modes principals de treball: mode estereoscòpic i mode monoscòpic.

• El mode estereocòpic
En aquest mode de visualització es cerca el millor parell fotogramètric que recobreix l’àrea sol•licitada, i es crea i retorna una imatge amb la informació dels dos fotogrames del parell.

Aquesta informació es pot servir superposada en una única imatge anàglif, tal i com es mostra en la figura inferior.

Aquest mode de visualització respecta l’estàndard WMS ja que la configuració del mode de visualització es fa utilitzant els estils WMS. Per a la visualització esterescòpica són necessàries unes ulleres anàglif Cyan-Vermell.

• El mode monoscòpic: l’orto al vol
La principal funcionalitat del servei ortoXpres és la possibilitat de realitzar una ortorectificació del territori utilitzant el model d’elevacions d’elevacions del terreny de l’Institut. El mecanisme del servidor de mapes és el mateix que en el cas anterior: es determina el millor fotograma que conté l’àrea sol•licitada i es procedeix a la creació de la sortida, en aquest cas una ortorectificació del fotograma, abans de servir la imatge. Aquesta ortorectificació es realitza de forma automàtica amb un model d’elevacions amb un pas de malla de 15m.

En aquesta imatge se superposen la fotografia sense rectificar amb el resultat de la ortorectificació d’ortoXpres. Es pot apreciar fàcilment el desplaçament dels camins i carreteres.

En aquestes imatges es mostra la comparació entre l’ortofotomapa i la imatge sense rectificar (imatge esquerra) i la imatge rectificada amb ortoXpres i l’ortofotomapa. S’han retocat els colors de les imatges per permetre ressaltar les diferències entre cada parell comparat. Es pot observar que l’encaix entre l’ortofotomapa i la imatge ortorectificada amb ortoXpres és molt acurat.

Limitacions i qualitat geomètrica de l’ortorectificació

És necessari remarcar que la informació que se serveix correspon a la ortorectificació ràpida dels fotogrames individuals utilitzant un model de malla d’elevacions del terreny sense tenir en compte infrastructures (ponts, nusos viaris…) i sense realitzar cap procés de millora radiomètrica conjunta. No té, per tant, la qualitat geomètrica ni radiomètrica del producte ortofoto que ofereix l’Institut pels canals de distribució habituals.

Un dels efectes més significatius que es produeix sobre les infrastructures elevades sobre el terreny (ponts sobre rius, nusos elevats de carreteres) es la deformació d’aquestes per adaptar-les a les irregularitats el model del terreny. D’aquesta manera, observarem com una carretera sobre un riu o vall deixa de ser recta i elevada per damunt del curs fluvial, i es corba seguint el desnivell que suposa la riba del riu o la vall.

Viaducte de Grèixer. La imatge esquerra correspon a ortoXpres i la dreta a l’ortofotomapa 1:5000. Es pot observar la deformació del viaducte en la imatge ortorectificada sense tenir en compte les infrastructures

Aquesta ortorectificació ràpida no inclou cap tipus de retoc manual de les imatges, que seria necessari per tal de dissimular o eliminar aquests efectes. Això mateix succeeix amb un altre dels artefactes que apareixen en l’ortorectificació automàtica: les “estirades”. Aquestes es produeixen en zones de pendents pronunciats i es donen quan no tenim prou informació per tal de deformar la imatge i generar un producte amb un pas de malla constant. En aquests casos, la repetició dels mateixos píxels per tal de cobrir la zona sense informació produeixen aquests efectes.

Estirades en una zona de penya-segats de la costa de Tossa de Mar

Tot i aquests artefactes provocats per l’absència d’edició de les imatges, la precisió geomètrica de la informació generada per ortoXpres, té una qualitat important.

En aquest aspecte, cal tenir en compte que la qualitat de la informació servida és directament proporcional a la qualitat del model d’elevacions del terreny i la qualitat de les orientacions de les imatges.

Tal i com s’ha comentat, ortoXpres vol posar la informació a disposició del públic en el menor temps possible i, per aquest motiu, en aquells projectes on es considera necessari, es poden publicar les imatges aprofitant les dades d’orientació nominal que provenen del vol fotogramètric. Això comporta una menor precisió en la localització del sensor en el moment de la captura d’informació i, per tant, una major imprecisió en la georeferenciació de les dades sobre el terreny. Tot i així, el temps de publicació es redueix fins a arribar a una o dues setmanes des de la realització del vol. Aquest és el cas del vol Temporal Desembre 2008, accessible des de www.ortoXpres.cat. Aquest vol va estar a disposició del públic tan sols 10 dies després de la seva realització.

Per tal d’intentar estimar l’error de posicionament de la informació servida amb dades d’orientació directa, s’han realitzat mesures comparatives de diferents punts al llarg de la línia de costa que representa el vol Temporal Desembre 2008. S’han identificat per correlació punts del vol servit amb ortoXpres amb l’ortofoto 1:5000, comparant les coordenades terreny que s’obtenen en cadascun dels dos serveis, per poder-ne mesurar les diferències.

En la figura anterior es mostren les diferències que s’observen entre els dos serveis, que donen un error mig de 0.57 metres amb una desviació estàndard de 0.45.

S’ha utilitzat aquesta mateixa tècnica de comprovació de l’error mig en un vol amb dades procedents de l’aerotriangulació. Per aquest cas s’ha utilitzat el servei ortoXpres Catalunya 45cm. 2008, que és el vol que servirà per a realitzar l’ortofoto 1:5000. S’ha calculat per correlació les diferències entre els dos serveis, seguint una distribució de punts i errors com s’indica en la figura inferior

L’error mig que es deriva és de 0.36 metres, amb una desviació estàndard de 0.32. Si tenim en compte la mida de píxel del servei, trobem que aquest error és generalment inferior a un píxel.

Així mateix. s’han realitzat proves amb diferents models d’elevacions del terreny: model de 15×15 de l’Institut, un model Lidar amb malla de 2×2 metres i un model Lidar amb malla de 1×1 metres. Les proves s’han realitzat sobre un vol de Salou de mida de píxel de 7.5 cm, comparat per correlació amb l’ortofoto 1:5000 i mesurant-ne les diferències de coordenades del terreny obtingudes. Per als tres models d’elevacions s’ha utilitzat el mateix núvol de punts llavor.

En la figura inferior s’indica la distribució dels punts comprovats i les mesures obtingudes amb cadascun d’ells.

ortoXpres: l’explotació web

Paral•lelament a la posada en funcionament del servei WMS d’ortofoto al vol, s’ha desenvolupat una primera versió d’explotació web del servei d’ortoxpres (www.ortoxpres.cat) que permet explotar les principals característiques del servei: visualització en estèreo anàglif, visualització monoscòpica amb ortorectificació al vol i explotació de les quatre bandes de les imatges (Infraroig, Vermell, Verd, Blau), que permet una visualització en mode fals color de les imatges (Infraroig, vermell i Verd) per permetre una millor interpretació de l’estat de les espècies vegetals.

Imatges de Banyoles en mode RGB i en mode Fals color

Així mateix, en aquesta versió del client web, s’ofereix la possibilitat de comparar dos serveis webs per superposició, per permetre la localització de canvis en el territori.

En aquesta figura es mostren a l’esquerra a dalt el vol Catalunya 45cm. 2008 i a baix la mateixa zona corresponent a l’ortofoto 1:5000. A la part dreta és mostra la comparació d’aquests dos serveis en mode escombrat, tal i com es veu a www.ortoxpres.cat

Finalment, i per tal de donar informació acurada de les imatges que s’estan visualitzant, el client web ofereix la possibilitat de mostrar dades auxiliars dels fotogrames, com són les dades d’orientació, la inclinació solar en el moment de la captura, la mida de píxel sobre el terreny, l’alçada de vol, l’alçada del terreny i la data i hora de la captura.

Conclusions

L’aparició d’ortoXpres ha suposat un nou mecanisme de distribució de dades de l’Insitut Cartogàfic de Catalunya, arribant a un compromís entre la qualitat del producte cartogràfic i el temps en què aquest producte es posa a disposició del públic. Si bé les prestacions de la informació que es publica amb ortoXpres no suposen l’alta qualitat de l’ortofoto tradicional, ni geomètrica ni radiomètricament, sí és cert que aquesta informació es pot publicar en un termini de temps molt reduït des de que es fa la captura primària de dades. Aquest temps pot anar des dels escassos dies que suposa la publicació dels vols fotogramètrics amb les dades nominals d’orientació directa, amb un error geomètric que pot anar dels 50cm als pocs metres, fins als dos mesos que es pot trigar en completar l’aerotriangulació d’un bloc per assolir precisions de l’ordre de la mida de píxel del vol. En tots els casos, el servei ha de permetre als usuaris accedir a les quatre bandes de què es composen les imatges capturades en els diferents vols fotogramètrics

Cal tenir en compte que ortoXpres crea la informació servida sota demanda i, per tant, el temps de resposta del servidor d’imatges serà sempre superior al d’un servidor de mapes que té la informació precuinada. No obstant, aquesta creació dinàmica de la informació, és l’essència del servei, i és el que permet una actualització constant de la informació, sense necessitats de llargues preparacions de dades per a la seva publicació.

En l’actualitat es disposa d’una versió 1.0 de l’eina, que ja permet explotar les funcionalitats bàsiques de la nova informació publicada, i en properes versions es potenciaran i milloraran els aspectes relacionats amb la interacció amb l’usuari. D’aquesta manera es vol permetre una major explotació de la multitemporalitat i multiressolució dels diferents vols realitzats per l’Institut. Així mateix, a banda de publicar els nous vols de l’any en curs, es carregaran al sistema vols anteriors dels quals no se n’hagi fet una ortofoto tradicional, per donar una nova font d’informació per l’anàlisi del canvis produïts en el territori.