UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID Facultad de Geografía e Historia TRABAJO FINAL MASTER EN TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Procesamiento de datos LiDAR con ArcGIS Desktop 10 Autor: Antonio San José Albacete Director: Luís Garmendia Salvador Codirector: Francisco Mauro Gutiérrez Madrid 2011 Resumen El presente trabajo pretende mostrar el procesamiento de los datos LiDAR mediante el uso del software de ESRI: ArcGIS Desktop 10. Para ello se aborda una breve introducción a la evolución del sensor LiDAR y las versiones de datos .las, así como un resumen de sus principales aplicaciones en la actualidad. Por otra parte, se incluye una aproximación al software existente para el tratamiento de datos LiDAR, recopilando una muestra significativa de herramientas orientadas al manejo de archivos .las. Desde los visores básicos hasta los programas desarrollados exclusivamente para trabajar con datos LiDAR, pasando por herramientas creadas para personalizar el software comercial y permitir el tratamiento de archivos .las. A continuación se realiza una visión del tratamiento de los datos en ArcGIS Desktop 10, partiendo del acceso a la información, los contenidos que se pueden visualizar y las herramientas disponibles para manejar la información. En este punto se ha desarrollado un modelo de geoprocesamiento que permite realizar una primera depuración automática de los datos y crear dos productos básicos: el Modelo Digital de Superficies y el Modelo Digital de Elevaciones, así como la normalización de los datos. Finalmente, y a partir de los archivos .las facilitados por el Grupo de Investigación, Tecnologías y Métodos para la Gestión Sostenible, se ha elaborado un procedimiento y un modelo de geoprocesamiento para procesar los datos y permitir su posterior uso en aplicaciones forestales: cálculo del volumen forestal, estimación de biomasa forestal u otras variables de interés. Palabras Clave LiDAR, ASPRS (American Society for Photogrammetry and Remote Sensing), ArcGIS Desktop 10, archivos .las, shapefile, MDT, MDE, MDS, normalización, biomasa. Abstract This paper aims to show the LiDAR´s data processing by using ESRI´s software ArcGIS Desktop 10. For this reason, a brief introduction to the evolution of LiDAR´s sensor and to the different versions of .las data has been included, as well as a summary of its main applications today. Afterwards, an approximation to the existing software for LiDAR data processing has been included, compiling a representative sample of tools for the management of .las files. From basic viewers to software that has been exclusively developed to work with LiDAR data, including tools that have been developed to customize commercial software and allowing the processing of .las files. Thereafter, an overview of the data processing with ArcGIS Desktop 10 has been made, taking as a starting point the access to information, the contents that can be displayed and the available tools for managing information. At this point, a geoprocessing model has been developed, which allows to make a first automatic data cleansing and to create two basic products: Digital Surface Model and Digital Elevation Model, as well as data standardization. Finally, and with the .las files provided by the Research Group on Technologies and Methods for Sustainable Management (Grupo de Investigación, Tecnologías y Métodos para la Gestión Sostenible), a procedure has been elaborated, as well as a geoprocessing model to process data and to allow its subsequent use in forestry applications as the estimation of forest volume and biomass or other variables of interest. Keywords LiDAR, ASPRS (American Society for Photogrammetry and Remote Sensing), ArcGIS Desktop 10, .las files, shapefile, DTM, DEM, DSM, normalization, biomass. Agradecimientos A Pilar A Luis y Francisco, por su inestimable ayuda y su apoyo para que este trabajo salga adelante. A Sergio y Eduardo, por sus ánimos y buenos consejos. Tabla de Contenidos PARTE I. INTRODUCCIÓN A LA INVESTIGACIÓN............................................1 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN.............................................................................................3 1.1. Planteamiento y justificación del trabajo...................................................................4 1.2. Hipótesis y objetivos..................................................................................................5 1.3. Metodología seguida durante la investigación...........................................................6 1.4. Organización del trabajo.............................................................................................7 PARTE II. ESTADO DEL ARTE..................................................................................9 CAPÍTULO 2. DESARROLLO Y EVOLUCIÓN DE LOS DATOS LiDAR......................11 2.1. Historia del sensor LiDAR.......................................................................................12 2.1.1. Introducción...............................................................................................12 2.1.1. Definición..................................................................................................13 2.2. Adquisición de datos LiDAR...................................................................................15 2.2.1. Introducción...............................................................................................15 2.2.2. Pasos para la adquisición de datos LiDAR................................................15 2.2.3. Pre-procesado, filtrado y clasificación de los datos brutos........................16 2.2.4. Generación de modelos digitales...............................................................16 2.3. Atributos de los datos LiDAR..................................................................................18 2.3.1. Introducción...............................................................................................18 2.3.2. Clasificaciones...........................................................................................18 2.3.3. Número de retornos...................................................................................20 2.4. Formatos...................................................................................................................21 2.4.1. Definición del formato .las........................................................................22 2.4.2. Tipos de datos............................................................................................22 2.4.3. Registros de datos de punto.......................................................................22 2.4.3.1. Formato 0....................................................................................22 2.4.3.2. Formato 1....................................................................................23 2.4.3.3. Formato 2....................................................................................23 2.4.3.4. Formato 3....................................................................................24 2.4.3.5. Formato 4....................................................................................24 2.4.3.6. Formato 5....................................................................................25 2.4.3.7. Comparación entre formatos.......................................................26 2.4.4. Información de georreferenciación............................................................26 Tabla de Contenidos 2.5. Proceso de control de calidad...................................................................................27 2.5.1. Métodos de validación...............................................................................27 2.5.2. Especificaciones de precisión....................................................................28 2.5.3. Revisión cualitativa de los datos LiDAR...................................................29 2.5.4. Metadatos...................................................................................................29 2.6. Una aproximación a las aplicaciones LiDAR..........................................................30 2.7. Tendencias futuras....................................................................................................32 2.7.1. Desarrollo tecnológico actual....................................................................32 2.7.2. Desarrollo tecnológico futuro....................................................................34 CAPÍTULO 3. APROXIMACIÓN AL SOFTWARE EXISTENTE PARA EL TRATAMIENTO DE DATOS LiDAR...................................................................................35 3.1. Software comercial...................................................................................................36 3.1.1. ArcGIS 10 y sus extensiones para el tratamiento de datos LiDAR...........37 3.1.1.1. LP360..........................................................................................37 3.1.1.2. LiDAR Analyst 5.0 for ArcGIS..................................................39 3.1.2. Global Mapper 11......................................................................................40 3.1.3. FME...........................................................................................................40 3.2. Software gratuito......................................................................................................42 3.2.1. LASEdit.....................................................................................................42 3.2.2. Fugro Viewer.............................................................................................43 3.2.3. FUSION/LDV............................................................................................44 3.3. Software libre...........................................................................................................45 3.3.1. gvSIG con la extensión Dielmo Open LiDAR..........................................45 3.3.2. libLAS y LASTools...................................................................................46 3.3.2.1. libLAS.........................................................................................46 3.3.2.2. LASTools....................................................................................46 3.3.3. Herramientas LiDAR Solutions.................................................................47 3.3.4. FELIS Analyst...........................................................................................48 PARTE III. DESARROLLO DE LA INVESTIGACIÓN.........................................49 CAPÍTULO 4. TRATAMIENTO DE DATOS LiDAR EN ARCGIS 10.............................51 4.1. Acceso a la información de los datos LiDAR..........................................................52 4.1.1. Introducción...............................................................................................52 4.1.2. Atributos de los datos LiDAR...................................................................52 4.1.3. El problema de la altura.............................................................................52 4.2. Soluciones para el tratamiento de los datos LiDAR en ArcGIS 10..........................53 4.2.1. Visualización de los datos LiDAR en ArcGIS 10.....................................53 4.2.1.1. La herramienta Point File Information.......................................53 4.2.1.2. La herramienta LAS To Multipoint............................................54 4.2.1.3. Conversión de multipuntos a puntos: la herramienta Multipart To Singlepart.................................................................................................56 4.2.2. Visualización del atributo de elevación en ArcGIS 10..............................58 4.2.2.1. La herramienta Add XY Coordinates.........................................58 4.2.2.2. Los Scripts de ESRI Support......................................................58 4.2.2.3. Aplicaciones fuera del entorno de ArcGIS 10............................60 4.3. Modelo de geoprocesamiento de datos LiDAR........................................................61 4.3.1. Modelo de creación del espacio de trabajo................................................61 II Tabla de Contenidos 4.3.2. Modelo de carga de datos LiDAR en ArcGIS...........................................62 4.3.2.1. Modelo de carga de datos con herramientas de ArcGIS.............62 4.3.2.2. Modelo de carga de datos con herramientas de ArcGIS y script de ESRI Support......................................................................................63 4.3.2.3. Creación del botón ExplodeLASMultipoint...............................64 CAPÍTULO 5. APLICACIONES FORESTALES CON DATOS LiDAR...........................67 5.1. Las necesidades del Grupo de Investigación, Tecnologías y Métodos para la Gestión Sostenible...........................................................................................................68 5.2. Proceso de normalización.........................................................................................69 5.2.1. Herramientas del proceso de normalización..............................................70 5.2.1.1. Selección de los puntos clasificados como suelo........................70 5.2.1.2. Interpolación. Inverse Distance Weighted (IDW)......................70 5.2.1.3. Extraer valores de elevación con la herramienta Extract Values to Points........................................................................................................71 5.2.1.4. Añadir un nuevo campo con la herramienta Add Field..............71 5.2.1.5. Calcular los valores para el campo recién creado con la herramienta Calculate Field.....................................................................72 5.2.2. Modelo de normalización..........................................................................72 5.3. Aplicación forestal....................................................................................................74 5.3.1. Introducción...............................................................................................74 5.3.2. Obtención de variables forestales..............................................................76 5.3.2.1. Variables independientes/auxiliares............................................77 5.3.2.2. Variables dependientes...............................................................77 5.3.2.3. Comparación de variables...........................................................78 5.3.3. Modelo de estimación de la biomasa.........................................................78 5.3.3.1. Modelo aplicado a las parcelas...................................................79 5.3.3.2. Modelo aplicado al área de estudio.............................................80 5.4. Aplicación a un caso de estudio...............................................................................82 5.4.1. Carga de datos............................................................................................82 5.4.2. Normalización............................................................................................83 5.4.3. Análisis forestal.........................................................................................84 5.4.3.1. Parcelas.......................................................................................84 5.4.3.2. Área de estudio...........................................................................85 5.4.4. El mapa de volumen forestal y de estimación de biomasa........................87 PARTE IV. CONCLUSIONES....................................................................................89 CAPÍTULO 6. CONCLUSIONES DEL TRABAJO..............................................................91 6.1. Verificación, contraste y evaluación de los objetivos..............................................92 6.2. Síntesis del modelo propuesto..................................................................................93 6.3. Aportaciones originales............................................................................................94 6.4. Trabajos derivados....................................................................................................95 6.5. Líneas de investigación futuras................................................................................96 BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................97 REFERENCIAS WEB............................................................................................................100 III Tabla de Contenidos ANEXOS......................................................................................................................103 A. CARTOGRAFÍA FORESTAL.........................................................................................105 A.1. Mapa de localización del área de estudio ..............................................................106 A.2. Mapa de volumen forestal......................................................................................108 A.3. Mapa de estimación de la biomasa forestal............................................................110 IV