Estudio de visibilidad en carreteras usando modelos digitales de elevación de alta resolución

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1 Estudio de visibilidad en carreteras usando modelos digitales de elevación de alta resolución de Santos-Berbel, César 1 ; Iglesias Martínez, Luís 2 ; Castro, María 3 ; Paréns González, María 4 ; Anta, José A. 5 ; Rama Huecas, Elena 6 ; Resumen El estudio de la distancia de visibilidad disponible en carreteras es de gran importancia para la seguridad vial. Los Mobile Mapping Systems (MMS) permiten capturar los elementos de las carreteras existentes y su entorno con alta resolución y rendimiento, obteniendo nubes de puntos 3D (LIDAR) con precisión centimétrica y fotografías panorámicas. El tratamiento de la ingente cantidad de datos que estos equipos proporcionan se ha efectuado con herramientas específicas de procesado de datos LIDAR y de ESRI. El cálculo de la distancia de visibilidad disponible se ha efectuado mediante una aplicación que funciona sobre ArcGIS. Todo ello permite estimar la distancia de visibilidad disponible con gran precisión, utilizando tanto modelos digitales del terreno como de superficie, de manera que es posible analizar la influencia que tienen la vegetación y otros elementos de las márgenes. Se describen las técnicas utilizadas y su aplicación práctica a una carretera de la Comunidad de Madrid. 1. INTRODUCCIÓN Conocer la distancia de visibilidad disponible para los conductores a lo largo de las carreteras es fundamental desde el punto de vista de la seguridad vial. La distancia de visibilidad disponible es la longitud del tramo de carretera existente entre el conductor y el objeto más alejado que puede percibirse sobre la calzada sin que la visual se interrumpa por un elemento del entorno o de la propia carretera (Kraemer et al., 2009). Esta distancia, que es una característica propia de cada punto de la carretera, debe ser contrastada frente a la distancia de visibilidad necesaria para la circulación y la realización de determinadas maniobras inherentes a la conducción, como por ejemplo, una parada de emergencia, un adelantamiento o en un cruce de carreteras. De esta forma se podrá garantizar que el conductor pueda efectuarlas con seguridad y comodidad. Por ello, las especificaciones técnicas de carreteras establecen unos valores 1 Investigador. Departamento de Ingeniería Civil: Transporte y Territorio, E.T.S.I.C.C.P., Universidad Politécnica de Madrid, C/ Profesor Aranguren, s/n, Madrid; cesar.desantos@upm.es 2 Profesor titular. Departamento de Ingeniería Geológica y Minera. E.T.S.I. Minas, Universidad Politécnica de Madrid; C/Ríos Rosas, 21, Madrid; luis.iglesias@upm.es 3 Profesora titular. Departamento de Ingeniería Civil: Transporte y Territorio, E.T.S.I.C.C.P., Universidad Politécnica de Madrid, C/ Profesor Aranguren, s/n, Madrid; maria.castro@upm.es 4 Investigadora. Departamento de Ingeniería Civil: Transporte y Territorio, E.T.S.I.C.C.P., Universidad Politécnica de Madrid, C/ Profesor Aranguren, s/n, Madrid; m.parens@upm.es 5 Técnico. ESRI España, C/ Emilio Muñoz, 35-37, Madrid; joseantonio.anta@esri.es 6 Becaria. Topcon Positioning Iberia, Avda. de la industria, 35, Tres Cantos (Madrid); elenaramahuecas@gmail.com 1

2 mínimos para esas distancias de visibilidad (AASHTO, 2011; Harwood et al., 1995; Ministerio de Fomento, 2000). El estudio de la distancia de visibilidad es necesario tanto para aquellas carreteras que van a ser construidas como para las ya existentes, requiriendo tanto bases de datos que representen lo más fielmente posible la realidad como herramientas potentes y fiables. Para el cálculo de la visibilidad se puede utilizar el Add-in Visibilidad Vial, implementado en entorno ArcGIS, que ya ha sido empleado con éxito en el análisis de varias vías interurbanas en España (De Santos et al. 2013, Castro et al. 2014). Además, esta herramienta tiene la particularidad de que no sólo lleva a cabo el cálculo de la distancia de visibilidad, sino también permite analizar aspectos relacionados con la coordinación del trazado de las carreteras. En el proceso deben tratarse modelos digitales de elevaciones (MDE) así como la trayectoria tipo del vehículo. Adicionalmente, la aplicación proporciona mapas temáticos con los valores de visibilidad de la carretera, permitiendo realizar estudios seguridad vial que integren, además de la visibilidad, otras variables como, por ejemplo, intensidades de tráfico, velocidades de circulación, consistencia del diseño geométrico y accidentalidad. La realidad de la carretera y, en particular, de su entorno es muy compleja. En la visibilidad del conductor no sólo puede verse afectada por el terreno (superficie de la carretera y márgenes), sino que existen otros elementos como las dotaciones viarias (barreras de seguridad, hitos, señalización, etc.), otros vehículos y las posibles edificaciones o vegetación de las márgenes que obstruyan el campo visual del conductor. Por ello, en principio, parece más realista el empleo de modelos digitales de superficie (MDS) frente a los clásicos modelos digitales del terreno (MDT). En cualquier caso, hay que destacar la importancia de la precisión de los distintos modelos digitales empleados. Actualmente existen equipos, denominados Mobile Mapping Systems (MMS), que permiten modelizar los elementos de las carreteras existentes y su entorno con alta resolución y rendimiento, obteniendo nubes de puntos 3D (LIDAR) con precisión centimétrica y fotografías panorámicas. Sin embargo, la ingente cantidad de datos que estos equipos proporcionan y las particularidades de dichos datos requieren de una metodología específica para los estudios de la distancia de visibilidad con el Add-in Visibilidad Vial. En este documento se describe la metodología utilizada y su aplicación a un caso de estudio, incidiendo en la influencia que tienen la vegetación y las barreras de seguridad metálicas (biondas) en la distancia de visibilidad disponible para el conductor. 2. PROBLEMA PLANTEADO Los equipos MMS de TOPCON (IP-S2 Compact+) cuentan con un sistema integrado de posicionamiento de alta precisión (GNSS de doble frecuencia, unidad de medición inercial o IMU y odómetros) que captura nubes de puntos de alta densidad con una capa superpuesta de imágenes (compuesto por cámaras digitales y escáner láser) (Topcon, 2010). El resultado de la toma de datos son ficheros de puntos, elementos lineales o imágenes que pueden presentarse en distintos formatos (LAS, ASCII, IPS2, CSV, DXF, DWG, PLS-CADD, ESRI Shape Files y distintos formatos de imágenes fotográficas digitales). 2

3 Para la realización del presente trabajo se ha contado con un fichero de tipo LAS (ASPRS LASer [LAS] file format) tomado con el equipo IP-S2 Compact+ de un tramo de la carretera M-513, situado entre las localidades de Boadilla del Monte y Brunete (Madrid), que transcurre entre los PKs y El fichero del tramo considerado cuenta con más de 6 millones de puntos. El estándar de los ficheros LAS incluye no sólo la posición en el espacio de cada punto (coordenadas x, y, z), sino un conjunto de atributos propios de la captura de la información como son: la intensidad, el retorno, el número de retornos, la clasificación del punto, el ángulo de escaneado, un identificador, la dirección de escaneado, la dirección de vuelo, información sobre el GPS y otra serie de datos (ASPRS, 2011). Esta información adicional es de utilidad para el posterior tratamiento de la información. El objeto del estudio es llevar a cabo el análisis de la visibilidad disponible en carreteras utilizando el levantamiento de alta resolución dentro de la aplicación Add-in Visibilidad Vial, desarrollada por el equipo de investigación, discriminando los distintos elementos del entorno de la carretera que pueden afectar a la visibilidad. Las distintas situaciones que se plantean para realizar el estudio son: A. Considerar solo el suelo (Ground), ya que los cálculos de visibilidad de los programas de trazado de carretera se realizan habitualmente utilizando como base los MDT, esto es el suelo sin vegetación ni elementos artificiales construidos por el hombre (casas, biondas, señales de tráfico ). B. Considerar algunos elementos de señalización o balizamiento que podrían afectar a la visibilidad como son las biondas. C. Considerar la vegetación situada en las márgenes de la carretera, cuya influencia sobre la visibilidad disponible es notable. Previo a la determinación de la distancia de visibilidad es el filtrado de la información del fichero LAS para obtener los distintos MDE que permitan su cálculo. Esto se debe a que el fichero LAS, tal y como se obtiene del sistema IP-S2, presenta una serie de limitaciones para ser utilizado directamente dentro de ArcGIS: 1. Todos los puntos aparecen como no asignados (unassigned) dentro de la clasificación propia del formato LAS. 2. Cuando se carga el fichero dentro de un LASdataset, los puntos pueden ser perfectamente representados, pero no pueden ser utilizadas las herramientas de gestión de ficheros LAS como son la obtención de perfiles o vistas 3D (ESRI, 2014a). 3. El fichero se puede visualizar en ArcScene, pudiente hacer una representación de los valores RGB de cada punto tal como se presenta en la figura 1, pero al no estar clasificados los puntos es imposible representar los distintos elementos de interés (ESRI, 2014b). En la figura 1 se puede apreciar como son representados en ArcScene los puntos del fichero original (datos RGB) y la clasificación de puntos. 3

4 Figura 1. Representación en ArcScene del fichero LAS original de IP-S2 a) datos RGB y b) datos clasificados. Las características de los puntos del fichero obtenido de sistema IP-S2 son: Hay un único retorno para cada punto Los valores de intensidad oscilan entre 25 y 253. En función de los valores de intensidad, también aparecen determinados los valores RGB ( ) Todos los puntos tienen clasificación 1 (Unassigned). El recuento de puntos en Classification Flags es none. El resto de valores aparecen como 0. Dada la imposibilidad de utilizar el fichero LAS obtenido del sistema de captura de datos MMS, el problema que se plantea es establecer un procedimiento que, a partir de dicho fichero, permita conseguir un fichero LAS clasificado que pueda ser leído directamente desde ArcMap. Además el fichero deberá ser totalmente compatible con las utilidades de gestión de fichero LAS de ArcGIS. Mediante tal procedimento se deberá igualmente poder obtener los MDE requeridos por la aplicación Add-in Visibilidad Vial. 3. SOLUCIÓN Para lograr resolver satisfactoriamente el problema planteado, se ha utilizado por un lado el software LAStools (Lastools, 2014), escogido por su sencillez de uso. Por otra parte, se han empleado las herramientas de visualización y clasificación de puntos de ficheros LAS que proporciona ArcMap (ESRI, 2014a). En la figura 2 se representa el flujo de trabajo seguido para el estudio de visibilidad del tramo de carretera a partir del fichero LAS obtenido del sistema IP-S2. La clasificación de los distintos puntos del fichero LAS se ha realizado siguiendo un proceso mixto automático-manual. En un primer paso, se han utilizado las herramientas del paquete LAStools para clasificar como suelo aquellos puntos que por sus características así deben ser considerados. Determinados estos puntos, se ha procedido a calcular la altura sobre el suelo de los restantes puntos, información esencial para poder realizar la clasificación automática de los mismos con las herramientas LAStools. El resultado de esta clasificación automática es un fichero con los puntos catalogados en 3 clases diferentes: 4

5 Suelo: 2 Ground Vegetación alta: 5 High vegetation No asignada: 1 Unassigned. Figura 2. Diagrama de flujo de trabajo. Sobre el fichero resultante de la clasificación automática se ha procedido a realizar una clasificación manual utilizando las herramientas de visualización de perfiles y clasificación de ArcGIS. Con las herramientas de visualización se han identificado sobre los puntos del tramo estudiado aquellos elementos que por formar parte de algunos de los modelos, así como aquellos que por su naturaleza deben ser eliminados. Entre los primeros se encuentran las biondas, que dada su localización en los laterales de la carretera han sido fácilmente identificables. Entre los segundos, que es necesario eliminar, se encuentran los vehículos que circulaban por la carretera, también claramente identificables, y las líneas eléctricas, localizables fácilmente en representaciones 3D. Por último, se ha considerado que los restantes puntos del fichero clasificados como no asignados se 5

6 pueden considerar como vegetación. Una vez seleccionados los puntos se ha procedido a reclasificarlos con la herramienta propia de ArcMap. Hay que hacer notar que en el caso de que el tramo a estudiar tuviera otro tipo de elementos de interés (como pueden ser edificios, túneles, puentes, etc.), al realizar la clasificación, deben considerarse todos ellos, pudiendo realizarse estudios de visibilidad específicos para alguno de ellos (por ejemplo, sólo las edificaciones). En las figuras 3 y 4 se presentan vistas del trazado de la carretera en dos localizaciones distintas, utilizando ArcScene. En ellas se pueden observar los puntos renderizados RGB, de los distintos ficheros LAS obtenidos el proceso de clasificación. Se perciben claramente las diferencias debidas a las biondas (figura 3) y a la vegetación (figura 4). Figura 3. Vista en ArcScene del fichero LAS a) sólo puntos Ground b) puntos Ground + biondas Figura 4. Vista en ArcScene del fichero LAS a) sólo puntos Ground b) puntos Ground + vegetación Tras realizar la clasificación manual se ha procedido a extraer cada tipo de puntos en un fichero LAS independiente, para lo que se han utilizado de nuevo las herramientas disponibles en LAStools. El último proceso, previo al estudio de la distancia de visibilidad con la aplicación desarrollada, es la integración de los ficheros que componen cada uno de los modelos, y la construcción del modelo TIN. Se lleva a cabo aquí una reducción de los datos con objeto de que el número de nodos del fichero TIN no sea muy elevado y para elegir sólo aquellos puntos que presentan una mayor altura. El resultado de este proceso es la obtención de los MDE que se van a utilizar con la aplicación desarrollada de visibilidad. 6

7 En la figura 5 se presentan unas vistas 3D de los tres modelos calculados, en las que se pueden apreciar a simple vista la diferencias entre ellos, que podrían afectar la visibilidad disponible. c) Figura 5. Vista en ArcScene a) TIN Ground b) TIN Ground + biondas c) TIN Ground + vegetación Influencia de las barreras Cuando se estudia la distancia de visibilidad disponible en carreteras, es preciso definir las líneas de visión a analizar. Éstas quedarán determinadas por la altura del observador y la altura del obstáculo a visualizar. Según la norma española de trazado (Ministerio de Fomento, 2000) se establece que la altura del obstáculo a visualizar sobre la calzada es de 0,2 metros, mientras que la del observador es de 1,1 metros. Los dispositivos de contención de vehículos son elementos que pese a su escasa entidad, podrían influir en los resultados. Con una altura de 0,75 metros, las barreras de seguridad (biondas) en el lado interior de curvas podrían ocultar una parte de la calzada, aunque por otra parte, orientan al conductor sobre el trazado de la carretera y no impiden visualizar otros vehículos que circulan por la vía. Con la finalidad de estudiar la influencia de las barreras de seguridad en la distancia de visibilidad disponible para parada se han comparado los resultados del estudio de visibilidad empleando el MDT Ground y los del MDS Ground+Biondas, en el tramo escogido de la carretera M-513. A título de ejemplo se muestra el caso de la barrera de seguridad situada, aproximadamente, en el PK de proyecto 0+500, sentido Brunete - Boadilla (en torno al PK real , en sentido decreciente). En la figura 6 se muestran sendas vistas en ArcScene del modelo Ground y del Ground+Biondas. 7

8 Figura 6. Vistas con ArcScene a) del MDT Ground y b) del MDS Ground+Biondas. Se ha calculado la distancia de visibilidad disponible con ArcGIS empleando el Add-in Visibilidad Vial y se han obtenido los correspondientes diagramas de visibilidad. En la figura 7 se muestran los diagramas de visibilidad correspondientes a la carretera M-513 en el entorno del PK de estudio (sentido de circulación de Brunete hacia Boadilla). En color verde aparecen representadas las zonas visibles y en rojo las no visibles. La línea azul representa la distancia de visibilidad disponible. La presencia de barreras de seguridad metálicas en el interior de curvas suele detectarse en los diagramas de visibilidad como franjas rojas delgadas diagonales. La figura 7a representa el caso de que no se consideren las barreras de seguridad (TIN Ground) y la figura 7b considerando dichas barreras (TIN Ground+Biondas). La barrera reduce la visibilidad disponible en unos 150 metros. Figura 7. Diagramas de visibilidad a) usando el TIN Ground y b) TIN Ground+Biondas Influencia de la vegetación Para analizar la influencia de la vegetación de porte medio en la distancia de visibilidad disponible se han comparado los resultados del estudio de visibilidad empleando el MDT (Ground) y un MDS constituido por los puntos del terreno y, además, los de la vegetación de porte medio (Modelo Ground+Vegetacion). En general, se ha comprobado que la vegetación es un factor que se debería de tener en cuenta, pues reduce 8

9 significativamente la visibilidad disponible, y su influencia es notablemente mayor que la de las barreras de seguridad. A título de ejemplo, se muestran los resultados correspondientes al tramo del PK de estudio (sentido Boadilla del Monte - Brunete). La figura 8 muestra las vistas de la carretera y su entorno obtenidas con ArcScene. Puede observarse claramente la diferencia del TIN que corresponde sólo al terreno (figura 8a) y del que incluye también a la vegetación (figura 8b). Figura 8. Vistas con ArcScene a) del TIN Ground y b) del TIN Ground+Vegetación En los diagramas de visibilidad (figura 9) es posible comprobar la merma que se produce tanto, en general, de las zonas vistas (disminución de la zona vista, representada en verde) como en la distancia de visibilidad disponible (representada por la línea azul) debido a la vegetación. Por ejemplo, en las inmediaciones del PK de estudio 1+200, según el modelo que considera sólo el terreno, el conductor vería un tramo de carretera de, aproximadamente, 700 m, mientras que, si se considera la vegetación de las márgenes de la carretera, sería de algo más de 100 m. Figura 9. Diagramas de visibilidad a) usando el TIN Ground y b) el TIN Ground+Vegetación. 9

10 4. VENTAJAS DEL EMPLEO DE ARCGIS La potencia de ArcGIS 10.2 facilita el manejo de grandes cantidades de datos, como pueden ser las nubes de puntos correspondientes a los MDE. Por otra parte, resulta destacable el hecho de que es posible emplear diversos tipos de MDE, pudiéndose realizar adaptaciones de diferentes formatos de origen. La posibilidad de manejar directamente ficheros LAS en ArcGIS supone un avance considerable y una disminución de carga de trabajo computacional frente al empleo de datasets Shapefile, permitiendo visualizar la información sin retardo, con la consecuente comodidad para el usuario. Empleando ArcScene es posible inspeccionar visualmente de forma muy ágil tanto los datos del levantamiento como los datasets de entrada para el estudio de visibilidad. Por otra parte, la posibilidad de utilizar el Add-in Visibilidad Vial hace que se pueda utilizar ArcGIS para realizar estudios de distancia de visibilidad en carreteras. Así mismo, otra gran ventaja del uso de ArcGIS es disponer de datos georreferenciados, lo que permite realizar análisis espaciales teniendo en cuenta múltiples factores. De esta forma, los resultados pueden ser utilizados con éxito no sólo en su aplicación al análisis de la visibilidad disponible, sino también pueden ser extrapolables a otras labores relacionadas con el estudio de la seguridad vial o con el inventariado de carreteras sobre una plataforma potente, sencilla y versátil como es ArcGIS. 5. CONCLUSIONES Tras haber desarrollado con éxito una aplicación para el estudio de la distancia de visibilidad disponible en carreteras, se ha dado un paso importante en la utilización de uno de los datasets de entrada más relevantes que este análisis requiere: la elaboración de MDE de gran precisión. La posibilidad de clasificar los puntos del levantamiento en el fichero LAS permite que sea el usuario quién decida la calidad final del modelo. Además, el procesado y filtrado de los datos es una labor intensiva facilitada en gran parte por las herramientas descritas. Esta metodología sienta las bases para estudios avanzados de la calidad del diseño geométrico de la carretera, permitiendo identificar con facilidad aquellos tramos de carretera o elementos del entorno que podrían suponer riesgos para la seguridad vial. 6. AGRADECIMIENTOS Al Ministerio de Economía y Competitividad, por la financiación del proyecto de investigación TRA (Convocatoria de 2011 de Proyectos de Investigación Fundamental no Orientada del Plan Nacional de I+D+I ). 7. REFERENCIAS American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). (2011). A policy on geometric design of highways and streets (6th ed.). Washington, D.C.: AASHTO. 10

11 American Society for Photogrammetry & Remote Sensing (ASPRS). (2011). LAS specification version 1.4 R13. Castro, M., Anta, J. A., Iglesias, L., & Sánchez, J. A. (2014). GIS-based system for sight distance analysis of highways. Journal of Computing in Civil Engineering, 28(3), De Santos Berbel, C., Anta, J. A., Castro, M., & Paréns González, M. (2013). La distancia de visibilidad en carreteras como herramienta para evaluar la seguridad vial: aplicación práctica. Conferencia Esri España 2013, 2-3 Octubre 2013, Madrid, España. ESRI (2014a). Edición de clasificación de puntos LAS. fication_codes/015w / (Accedido el 5 de octubre de 2014) ESRI (2014b). Vista general de visualización de datasets LAS en ArcGIS. 0/ (Accedido el 5 de octubre de 2014) Harwood, D. W., Fambro, D. B., Fishburne, B., Joubert, H., Lamm, R., & Psarianos, B. (1995). International sight distance design practices. Proc., International Symposium on Highway Geometric Design Practices, Kraemer, C., Pardillo, J. M., Rocci, S., Romana, M. G., Sánchez Blanco, V., & del Val, M. A. (2009). Ingeniería de carreteras (2ª ed.). Aravaca, Madrid: McGraw-Hill / Interamericana de España. Lastools (2014). LAStools: converting, filtering, viewing, processing, and compressing LIDAR data in LAS format. Ministerio de Fomento. (2000). Norma 3.1-IC: Trazado. Madrid. Topcon (2010). Sistema Mobile Mapping en 3D. 11

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