Elaboración de cartas aeronáuticas OACI: planos de obstáculos de aeródromo, a partir de imágenes aéreas digitales de pequeño formato

ICAO Aeronautical chart production: aerodrome obstruction charts from small–format aerial digital imagery

Jorge Prado Molina* José Antonio Quintero Pérez* Ana Rosa Rosales Tapia* Armando Peralta Higuera* Miguel Ángel Ramírez Beltrán* Moisés Zamora Jiménez*

* Laboratorio de Análisis Geoespacial (LAGE), Instituto de Geografía, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito de la Investigación Científica, Coyoacán, 04510, México, D.F. E–mails: jprado@igg.unam.mx, quintero@igg.unam.mx, anarosa@igg.unam.mx, aperalta@igg.unam.mx, miguel@igg.unam.mx, moiseszj@hotmail.com

Recibido: 11 de octubre de 2011.
Aceptado en versión final: 21 de febrero de 2012.

Resumen

Las cartas aeronáuticas y los planos de obstáculos de aeródromo proporcionan información sobre las obstrucciones alrededor del aeropuerto, para que el controlador aéreo y los pilotos cumplan con los procedimientos y limitaciones de su utilización. La seguridad en aviación exige la producción de cartas aeronáuticas actualizadas y precisas, adoptando los estándares de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI). En este artículo se describe la metodología utilizada para generar los planos de obstáculos de cinco aeródromos en México, a partir de imágenes aéreas digitales, obtenidas con cámaras de formato pequeño. A través de dos levantamientos aéreos en cada aeropuerto, a 10 000 y 5 000 pies de altura sobre el nivel del terreno, se generaron dos ortomosaicos cubriendo la zona de influencia de la terminal aérea, el aeródromo y las superficies de aproximación, de ascenso en el despegue, de transición, horizontal interna y cónica. A través de la fotointerpretación de estéreopares se identificó la mayoría de los obstáculos, y con los ortomosaicos se generaron los planos de aeródromo y de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C. Mediante receptores satelitales geodésicos se obtuvieron 18 puntos en cada pista, para obtener sus dimensiones y establecer puntos de control terrestre para la formación de los ortomosaicos. A través de detallado trabajo de campo se comprobó la localización y altura de los obstáculos y, finalmente, después de varios procedimientos de revisión por las autoridades aeronáuticas, se concluyó la generación de las cartas OACI al integrar todos los mapas de los aeropuertos, en un sistema de información geográfica (SIG).

Palabras clave: Cartas aeronáuticas OACI, planos de obstáculos de aeródromo, cámaras de pequeño formato, mosaicos ortorectificados, superficies limitadoras de obstáculos.

Abstract

Aeronautical charts and aerodrome obstruction charts, provide information about obstacles around the airport, so pilots and air traffic controllers can comply with the procedures and limitations of its utilization. Safety in aviation demands updated and precise aeronautical charts production, adopting the standards of the International Civil Aviation Organization (ICAO). In this paper the methodology employed to generate obstruction charts for five airports in Mexico, using aerial digital imagery obtained with small–format cameras, is described.

Using satellite geodetic receivers, 18 points were surveyed on each runway in order to obtain its dimensions, and to establish ground control points for mosaics generation. Throughout detailed field work, height and location of the obstacles were verified, and finally, after several reviewing processes by aeronautical authorities, generation of ICAO charts was concluded when all airport maps were integrated in a Geographical Information System.

Key words: ICAO Aeronautical charts, aerodrome obstruction charts, small–format cameras, orthorectified mosaics, obstacle limitation surfaces.

Introducción

El crecimiento desmedido de las ciudades en ocasiones puede provocar que la seguridad de la operación aeroportuaria se vea rebasada. Para evitar esta situación, es indispensable mantener un monitoreo constante de los obstáculos que se encuentran en las trayectorias de aproximación y despegue, y en los alrededores de los aeropuertos. Un obstáculo es definido por la OACI como: "todo objeto fijo (ya sea temporal o permanente) o móvil, o partes del mismo, que esté situado en un área destinada al movimiento de las aeronaves en la superficie o que sobresalga de una superficie definida, destinada a proteger a las aeronaves en vuelo" (OACI anexo 14, 2004). Debido a esto, es necesario implementar una estrategia que permita actualizar de una manera rápida y confiable los cambios que ocurren, ya que en la mayoría de los casos es difícil mantener un límite territorial entre el aeropuerto y la ciudad. Es muy importante que las aeronaves no se encuentren en riesgo de colisión debido a la presencia de construcciones, árboles, anuncios, antenas, postes de luz, etc., que no cumplen con las restricciones de altura, y que se ubican dentro de las superficies de seguridad del aeropuerto.

Por lo anterior, se hace indispensable llevar a cabo una actualización periódica de los planos de obstáculos de aeródromo para mantener la seguridad en las operaciones aéreas. La OACI es la entidad encargada de establecer las directrices de operación de las aeronaves y de normar los contenidos de las cartas de navegación aérea. Todos los países afiliados a dicha organización deben cumplir con las especificaciones que ella establece, ya que es crucial contar con mapas estandarizados; porque la eficiencia y la seguridad de un aeropuerto pueden verse afectadas si no se cuenta con información consistente (OACI documento 9881, 2007). Si bien es cierto que cada país tiene sus propios reglamentos aeronáuticos, es importante seguir las disposiciones de la OACI para evitar conflictos operativos y posibles accidentes. México no es la excepción y tiene leyes y normatividades referentes al uso de las vías generales de comunicación, y en particular de los aeropuertos; no obstante, en los ejemplos aquí mostrados sobre la elaboración de planos de obstáculos de aeródromo, solamente se siguieron y aplicaron estrictamente las normas establecidas por la OACI. Sin una estandarización global en las cartas aeronáuticas, sería difícil para los pilotos y otros usuarios encontrar e interpretar de una manera eficaz la información crucial para la navegación (ICAO Annex 4, 2006). Adicionalmente, es importante contar con planos y cartas en formato electrónico de alta calidad debido al incremento de las operaciones aéreas, que cada vez hacen un mayor uso de estos insumos, tanto en la torre de control, como en el mismo tablero de mando de las propias aeronaves. Además, la OACI estableció la enmienda 52 al anexo 4 en 2001 (OACI documento A35–WP/59, 2004), donde se introduce el concepto de cartas aeronáuticas electrónicas, con el fin de proveer a las tripulaciones de información oportuna y conveniente sobre su posición con respecto a las áreas que se sobrevuelan, al aeropuerto y, sobre todo, conocer la posición exacta de los obstáculos, todo en formato digital. Las áreas de cobertura de terreno y de obstáculos de aeródromo que deben ser cubiertos con mapas electrónicos son: 1. El territorio completo del estado, 2. El área de control de la terminal aérea, que abarca una superficie dentro de un radio de 45 km a partir del Punto de Referencia de Aeródromo (ARP: Airport Reference Point), 3. El terreno comprendido en un radio de 15 km desde el ARP, y que incluye el aeródromo/helipuerto y, 4. Las superficies de aproximación y despegue que se extienden a 15 km desde las cabeceras de la pista (ESRI White Paper, 2009; OACI documento 9881, 2007; ESRI aeronautical solution, 2011). Con excepción del área uno (el territorio del estado), en este artículo se describe la metodología empleada para la generación de los planos de aeródromo y de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C para cinco aeropuertos de México: Campeche (CPE), Chetumal (CTM), Ciudad Obregón (CEN), Guaymas (GYM) y Nuevo Laredo (NLD), siguiendo las especificaciones de la OACI, señaladas en el Convenio sobre Aviación Civil Internacional en los anexos 4 (ICAO Annex 4, 2006) y 14 (OACI anexo 14, 2004).

Cabe mencionar que algunos de los procedimientos de producción de mapas de obstáculos de aeródromo utilizan un LIDAR para generar un modelo tridimensional del terreno, complementando estos datos con fotografías aéreas e imágenes de satélite, para determinar cuáles de las obstrucciones representan un problema, al encontrarse dentro de las superficies limitadoras de obstáculos (Uddin y Al–Turk, 2002; Uddin et al., 2011), sin embargo, estas técnicas representan costos considerables de recursos económicos y tiempo, al tener que procesar las masivas nubes de puntos del sistema LIDAR, aunque tienen la ventaja de entregar una precisión de 20 cm en horizontal y de 10 cm en vertical. Por otra parte, existen métodos muy novedosos que utilizan técnicas interferométricas con radares localizados en plataformas espaciales, fusionando esta información con imágenes de satélite de alta resolución (Fernández y Monteiro, 2011), sin embargo, la precisión lograda con este sistema es del orden de 3 a 10 m en vertical, lo que implica que solamente se puede utilizar en las zonas 1 y 2, por lo que los mapas de aeródromo quedan excluidos. En el trabajo aquí presentado se utilizaron técnicas fotogramétricas con imágenes aéreas digitales obtenidas con cámaras de pequeño formato, como se explica más adelante.

Planos de aeródromo y de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C

El plano de aeródromo permite que el piloto identifique las coordenadas geográficas y la longitud de la pista, así como otros detalles importantes de la misma, con el fin de que pueda abandonarla inmediatamente después del aterrizaje, siguiendo las calles de rodaje para dirigirse a la zona de desembarco. Los planos de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C proveen la altura y ubicación de las obstrucciones alrededor del aeródromo. En esta sección se describen sus características más importantes y en la parte final de este trabajo se da un ejemplo de cada uno de ellos. La información completa que deben incluir se encuentra en el anexo 4 del Convenio sobre Aviación Civil Internacional de la OACI (ICAO Annex 4, 2006) y los errores máximos permitidos en estos mapas se encuentran descritos en la tabla 2.6 de la Guía para la Elaboración de Mapas Electrónicos del Terreno, de Aeródromo y de Obstáculos de Aeródromo (OACI documento 9881, 2007).

Plano de Obstáculos Tipo A. Incluye la pista y las superficies de aproximación y despegue, con vistas en planta y de perfil, indicando con precisión de 0.5 m en X, Y, Z la ubicación de los obstáculos que sobrepasan los límites de altura permitidos en dichas superficies.

Plano de Obstáculos Tipo B. Incluye la pista, las superficies de aproximación y despegue, al igual que las de transición, horizontal interna y cónica, abarcando un radio de 15 km desde el ARP. En él se muestran la topografía, los obstáculos, cuerpos de agua, poblados y carreteras. La precisión de este mapa debe ser menor o igual a 2.5 m en X, Y y de 1 m en Z.

Plano de Obstáculos Tipo C. Este plano incluye la zona de control de la terminal aérea, esto es, una superficie circular con un radio de 45 km, medido desde el ARP. Incluye los obstáculos, el sombreado de alturas topográficas, carreteras, poblados, ríos y cuerpos de agua. El error máximo permitido en este mapa es de 5 m en horizontal y de 3 m en vertical.

Método propuesto

Se propone llevar a cabo los siguientes pasos para obtener los planos de aeródromo:

1. Recopilar la cartografía existente: Cartas y ortofotos de INEGI (Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática, México).

2. Efectuar la corrección topológica de las cartas de: curvas de nivel, carreteras, mancha urbana e hidrografía.

]]> 3. Planeación y ejecución de los levantamientos aéreos a dos alturas diferentes: uno a 10 000 pies para cubrir el área de influencia del aeropuerto y el otro a 5 000 pies para tener detalle suficiente sobre el aeródromo y las superficies de transición, aproximación y despegue.

4. A partir de los estéreopares hacer la fotointerpretación de los obstáculos en las áreas 2, 3 y 4 y generar las bases de datos de obstáculos.

5. Llevar a cabo campañas de obtención de puntos de control geodésico dentro de la pista de cada aeropuerto y hacer un barrido con binoculares desde las cabeceras para comprobar la lista de obstáculos.

6. Generar los dos ortomosaicos de cada aeropuerto.

7. Integrar datos de topografía y de bases de datos de obstáculos para elaborar los planos de aeródromo y de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C.

8. Enviar los planos a una primera revisión.

9. Comprobar en campo las alturas de los obstáculos, buscar posibles omisiones y actualizar las bases de datos de obstáculos.

10. Revisar nuevamente los planos de obstáculos e integrarlos en un SIG.

11. Corregir los mapas, cruzar las pendientes de las superficies limitadoras de obstáculos con las obstrucciones e integrar aquellos elementos que fueron omitidos.

12. Revisión final de los mapas.

Superficies limitadoras de obstáculos

Definen el espacio aéreo que debe mantenerse libre de cualquier obstrucción en el aeródromo y su entorno, para efectuar las operaciones de aproximación, aterrizaje y despegue de manera segura (ASA, 2012). Están divididas en superficies de aproximación, de ascenso en el despegue, de transición, horizontal interna y cónica (Figura 1).

Superficies de aproximación y de ascenso

Como ambas cabeceras de la pista se utilizan para despegar o aterrizar, es necesario considerar que estas superficies se intercambian dependiendo de la maniobra en curso. La superficie de aproximación tiene una longitud de 15 km y una amplitud que va de los 4 500 m en su punto más distante, hasta los 300 m en la porción localizada en la cabecera de la pista (Figura 2). Esta superficie limitadora, en particular, se divide en tres secciones, la última de ellas (la más lejana a la pista) tiene una longitud de 8 400 m, sin presentar pendiente alguna, teniendo una altura de 150 m. La segunda sección inicia con esta misma altura de 150 m y tiene una longitud de 3 600 m, con una pendiente de 2.5% (llegando a una altura de 60 m). La primera sección corresponde a los 3 000 m más cercanos a la pista y presenta una pendiente del 2%, llegando desde una altura de 60 m, al nivel base de la pista.

Al igual que la superficie de aproximación, la de ascenso se puede ubicar en cada una de las cabeceras, y también cuenta con una longitud total de 15 km, pero con una amplitud en su primera sección de sólo 180 m, y que aumenta hasta llegar a los 1 200 m a una distancia de 6 480 m, después de este punto, la amplitud se mantiene hasta los 15 km. La pendiente que presenta toda la superficie es constante y corresponde al 2%, es decir, llega a una altura de 300 m en su punto más distante de la cabecera.

Superficies de transición, horizontal interna y cónica

La superficie de transición se localiza a ambos costados de la pista (Figura 3), tiene un ancho de 315 m, alejándose lateralmente de la misma con una pendiente del 14.3%, hasta llegar a los 45 m de altura, en donde ambas partes de esta superficie se unen con la horizontal interna, misma que delimita un área que mantiene esos mismos 45 m de altura, a una distancia de 4 000 m a ambos lados de la pista medidos desde el ARP y teniendo dos radios de 4 000 m medidos desde ambas cabeceras. Contigua a ésta se localiza la superficie cónica, que tiene una distancia de 5 100 m a ambos lados de la pista medidos desde el ARP, y con dos radios también de 5 100 m medidos desde ambas cabeceras, y con una altura que va en la zona colindante a la superficie horizontal de 45 hasta 100 m de altura en su parte más lejana (OACI anexo 14, 2004).

Cartografía base

Se realizó la corrección de errores topológicos de la cartografía base digital del INEGI para cubrir la zona de influencia operativa de cada uno de los cinco aeropuertos. Se incluyeron curvas de nivel, hidrografía, vías de comunicación y mancha urbana. Además se generaron los metadatos de cada una de estas capas de información.

Corrección topológica

Para llevar a cabo este proceso se establecieron las reglas básicas correspondientes para los polígonos y las capas de líneas. Para los primeros se estableció que dentro de la misma capa: 1. Los polígonos no deben superponerse unos con otros, y 2. No debe haber espacios entre ellos. Para las capas de líneas se utilizaron las siguientes reglas topológicas: a) las líneas no deben superponerse a ninguna otra dentro de una capa; b) no deben tener nodos aislados, el final de una línea debe tocar cualquier parte de otra línea o de sí misma dentro de la capa; c) las líneas no se deben cruzar en ninguna parte con otra dentro de la misma capa y d) no deben tener pseudo–nodos, es decir, el final de una línea debe tocar el final de otra línea dentro de una capa. Esto ocurre cuando se unen dos capas de información contiguas, ya que no siempre coinciden los elementos, como las carreteras, por ejemplo.

Estructura de la base de datos y metadatos por capa

El diseño de las bases de datos se adaptó a las necesidades de cada capa de las cartas aeronáuticas. Los elementos fundamentales de las tablas son los siguientes: 1. FID: campo generado automáticamente por el sistema y que aumenta un registro, con un identificador interno al crear un elemento de la capa, 2. Shape: nos muestra el tipo de geometría que tiene el registro (punto, línea, polígono, etc.), 3. ID: campo creado con una numeración consecutiva como identificador externo con la finalidad de establecer la cardinalidad de las tablas, 4. Campos de atributos: se generan tantos campos como atributos tenga el elemento que se esté trabajando, puede ser su descripción, coordenadas, altura, elevación, etc. En el caso particular de los planos de obstáculos de aeródromo, una de las capas más importantes es la de los objetos que representan una obstrucción para las operaciones de las aeronaves, esta información cuenta con un campo del nombre del obstáculo y con una etiqueta para cada elemento para diferenciarlo por tipo. Un campo de altura, que corresponde a la distancia vertical de dicho objeto sobre el terreno, y un campo de elevación, que es la suma de la altura del obstáculo más la altitud del terreno sobre el que se encuentra (la altitud es una distancia vertical medida sobre el nivel medio del mar). También se incluyen los campos X, Y que muestran la latitud y longitud, en coordenadas geográficas y UTM, de cada uno de los puntos. La construcción de cada tabla es similar, de esta forma cada capa de información cuenta con una base de datos que se puede consultar y modificar según las necesidades (Figura 4).

Fotometría

Para obtener los mapas de aeródromo, se decidió utilizar mosaicos ortorectificados como apoyo cartográfico para trazarlos. Dichos mosaicos son un material autorizado por la OACI, siempre y cuando se obtenga un error en la posición de cualquier punto del mismo, en el orden de 0.5 m (OACI documento 9881, 2007). Para llevar a cabo el proceso de identificar, georreferenciar y medir la altura de los obstáculos que interfieren en la operación de los despegues y aterrizajes, se utilizaron técnicas fotogramétricas, siendo este método también aprobado por la OACI (OACI documento 9881, 2007). Para cumplir con estos objetivos, se llevaron a cabo dos levantamientos aéreos en cada uno de los aeródromos: a 10 000 y 5 000 pies de altura sobre el nivel del terreno. Con las imágenes obtenidas a 10 mil pies se formó un mosaico ortorectificado que cubre el área de control de la terminal aérea y que incluye, por supuesto, la pista y las superficies limitadoras de obstáculos. Con dicho mosaico se identificaron y georreferenciaron las obstrucciones, con excepción de algunas estructuras metálicas delgadas usadas para montar antenas, que no pudieron detectarse. A partir del vuelo bajo también se formó un mosaico que cubre principalmente la pista y que sirvió para generar el plano de aeródromo, en éste se localizaron con precisión de 19 cm las calles de rodaje, la torre de control, los edificios y las demás instalaciones aeroportuarias. Dentro de cada pista se tomaron en promedio 18 puntos de control terrestre mediante receptores geodésicos de posicionamiento satelital, esto permitió obtener con alta precisión las dimensiones de la misma y a la vez contar con puntos de control terrestre para la elaboración de los ortomosaicos. Las fotografías aéreas digitales fueron interpretadas adaptando los procesos fotogramétricos convencionales, ya que las cámaras de pequeño formato no ofrecen, de inicio, los datos de calibración y las imágenes no poseen marcas fiduciales, tal como se conocen en la fotografía aérea convencional; sin embargo, este material puede ser utilizado también, con las debidas adaptaciones, para la formación de mosaicos ortorectificados (Wolf and Dewitt, 2000; Hernández, 2003; Prado et al. 2006, Prado y Peralta, 2012) e inclusive cumplir con estándares como el señalado por la ASPRS (American Society for Photogrammetry and Remote Sensing) en los Requerimientos de Precisión en las Coordenadas (X,Y) para los Detalles Planimétricos (Clase 1), para Puntos Bien Definidos (ASPRS, 2007), donde se especifica que para un mapa a escala 1:10 000 (que es el caso del ortomosaico del vuelo alto), la precisión horizontal debe ser de ± 2.5 m. Y para el mapa del vuelo bajo, que tienen una escala aproximada de 1:4 000, la precisión debe ser de ± 1.0 m. Bajo este estándar, nuestros mapas cumplen con ese nivel de precisión e inclusive lo superan.

Para cada aeropuerto se efectuó una campaña mediante fotografía aérea digital de pequeño formato, para lo cual se utilizó una cámara NIKON D2X, con sensor de 12.21 Megapixeles, con lente Karl Zeiss de 25 mm, y apertura de 2.8, montada en una avioneta Cessna 206. Aunque esta aeronave en particular está especialmente adaptada para vuelo fotográfico, los levantamientos aéreos con cámaras de formato pequeño pueden efectuarse con cualquier tipo de aeronave, donde sea posible montar una pequeña estructura para fijar la cámara, ofreciendo gran versatilidad en la adquisición de las imágenes (Mills et al., 1996; Aber et al., 2010). Para la planeación de los dos vuelos se tomó en cuenta como parámetro más importante, el tamaño de píxel en el terreno, esto fue para poder distinguir en el vuelo alto, los obstáculos y en el bajo, las instalaciones dentro del aeródromo; aunque en ambos casos se hizo un compromiso entre cobertura y resolución. La manera de planear el vuelo, mediante el uso de cámaras digitales de pequeño formato, puede revisarse en Neumann (2005) y Prado y Peralta (2012,) donde a través de una hoja de cálculo se pueden manejar todas las variables que intervienen en el proceso, como son: altura de vuelo, cobertura, resolución, trazado de líneas de vuelo, opciones de lentes y cámaras, y considera posibles cambios en la altura de vuelo por tráfico aéreo, nubes u otras circunstancias.

Levantamientos a 10 000 pies de altura sobre el terreno

Para las campañas aéreas a 10 000 pies se realizaron seis líneas de vuelo con una separación entre ellas de 2 041 m, obteniendo 60 imágenes por transecto (360 fotos en total) con una resolución en el terreno de 0.68 m. Por cada aeropuerto se cubrió una franja rectangular de 14 km de ancho por 40 km de largo, cubriendo un área aproximada de 560 km2. En la Figura 5 se muestra un ortomosaico que incluye la pista y las superficies limitadoras de obstáculos del aeropuerto de Chetumal, Quintana Roo, México. Esto es, la horizontal interna (8 km de diámetro) y cónica (12 km de diámetro), así como las de transición, aproximación y despegue (15 km desde ambas cabeceras de la pista).

Levantamientos a 5 000 pies sobre el terreno

En este caso se realizaron dos líneas de vuelo, de 68 fotografías cada una, separadas 1 020 m, obteniéndose un total de 136 imágenes con una resolución en el terreno de 0.34 m. Por cada aeropuerto se hizo un levantamiento de forma rectangular de 1.35 km x 40 km abarcando la pista, las instalaciones aeroportuarias y las superficies de aproximación y despegue, cubriendo un área de 54 km². En la Figura 6 se muestra un ejemplo de un mosaico elaborado a partir de dos líneas de 16 imágenes aéreas cada una, correspondientes al Aeropuerto de Chetumal, Quintana Roo, México; el detalle logrado con esta escala (1:4 000 aproximadamente) y los puntos de control sobre la pista, permitieron la elaboración de los planos de aeródromo, con un error cuadrático medio de 0.19 m. En este caso particular se observó que las variaciones más importantes se localizaron en las inmediaciones de la carretera que corre de manera paralela a la pista, encontrándose un error del orden de 0.5 m, aunque este parámetro todavía se encuentra dentro del intervalo permitido, de acuerdo con los lineamientos de la OACI.

Generación de mosaicos ortorectificados

Para poder obtener un mosaico ortorectificado, a partir de imágenes aéreas digitales obtenidas con cámaras de pequeño formato, es necesario corregir las distorsiones geométricas presentes en toda la escena. Y al igual que en la fotografía aérea convencional, las distorsiones se deben a los desplazamientos de los puntos de la imagen, con respecto a su posición esperada, y se atribuyen a: el apuntamiento fuera de la vertical de la cámara por movimientos descontrolados de la aeronave, las distorsiones del lente y las inherentes a la perspectiva de la toma, y por último, al desplazamiento por relieve, debido a diferencias de alturas en el terreno. La corrección de estos errores nos lleva a obtener una ortoimagen, esto se logra cuando se tiene una proyección ortográfica y una escala uniforme en toda la escena (Wolf y Dewitt, 2000; Prado et al., 2006). Y a la par de la fotografía aérea convencional, es necesario contar con los parámetros de orientación externa, la calibración de la cámara, por lo menos tres puntos de control terrestre por imagen y un modelo digital de elevación para poder efectuar la ortorectificación. El mismo procedimiento de formación de mosaicos fue seguido para la generación de las cartas de aeródromo de los cinco aeropuertos mencionados. En este caso no se obtuvieron durante el vuelo los parámetros de orientación externa de cada imagen, cuando esto ocurre, es necesario obtener en mayor cantidad y con mejor calidad los puntos de control terrestre, ya que son fundamentales para reconstruir las características geométricas entre la cámara y el terreno al momento de efectuar la toma. También son esenciales para georreferenciar y en última instancia disminuir el error en el mosaico (López, 2006; Ramírez, 2010). Las ortofotos de INEGI (INEGI, 2011a), constituyeron un insumo básico para obtener dichos puntos de control de manera adecuada y suficiente. En la Figura 7 se muestran las seis ortofotos utilizadas para generar el ortomosaico del aeropuerto de Chetumal (CTM).

Campaña de levantamiento de puntos de control terrestre mediante receptores GNSS

Para los cinco aeropuertos se efectuaron mediciones sobre la pista, con equipos de posicionamiento satelital de tipo geodésico marca TOPCON modelo Hiper L1 (de una banda o frecuencia) trabajando en modo diferencial en postproceso. Esta información fue crucial para poder obtener un error menor de 0.5 m en promedio en los mapas de los aeródromos. Los puntos originalmente se obtuvieron en ITRF92 con el elipsoide de referencia GRS80 y posteriormente se reproyectaron al datum y elipsoide WGS84, a través del programa ARCGIS 9.2. La obtención de puntos se distribuyó lo más uniformemente posible a lo largo de las pistas; en la Figura 8 se muestra un ejemplo de levantamiento simultáneo de dos de ellos en el aeropuerto de Ciudad Obregón, Sonora, México. La corrección diferencial se efectúo mediante los archivos RINEX (Receiver Independent Exchange Format) de la Red Geodésica Nacional Activa (RGNA) del INEGI (INEGI, 2011b) y en algún caso se echó mano de las estaciones de referencia de operación continua CORS (Continuosly Operating Reference Stations) a cargo del National Geodetic Survey de Estados Unidos (National Geodetic Survey, 2012), del que la RGNA forma parte, ya que para el aeropuerto de Nuevo Laredo, Tamaulipas, la base de Laredo, Texas queda a 13.8 km. del aeródromo.

En todos los aeropuertos se trabajó con un punto de referencia que se ubicó en una esquina de la cisterna de la estación de bomberos o CREI (Cuerpo de Rescate y Extinción de Incendios). Así, en el primer paso en la corrección diferencial se obtuvo la solución de la posición de la base de referencia INEGI hacia la base CREI y después, a partir de ella, se resolvieron los demás puntos sobre la pista. Se observa claramente que la magnitud del error tiene una dependencia directa con la distancia de la base de Referencia INEGI hacia el aeropuerto, como se puede apreciar en la Tabla 1. El error máximo se situó en 9.6 cm y, a su vez, el error máximo entre la base CREI y los puntos en la pista, fue de tan solo 15 mm. Por otro lado, en la última columna de la Tabla 1, se observan los errores máximos obtenidos para aquellas obstrucciones que están dentro de las superficies limitadoras de obstáculos y que necesitaron verificación en campo.

Identificación de obstáculos

Los métodos utilizados para identificar y medir los obstáculos están basados en principios fotogramétricos y de fotointerpretación. Para ello se utilizaron las fotografías aéreas digitales de los vuelos a 10 mil y 5 mil pies, a una escala aproximada de 1:10 000 y de 1:4 000, respectivamente.

Identificación y medición de obstáculos mediante fotointerpretación

D_p es la diferencia de paralaje en mm y B_f es la relación de la base fotográfica (también dada en milímetros).

La diferencia de paralaje es la distancia entre puntos homólogos de dos imágenes aéreas contiguas. La relación de la base fotográfica es la distancia existente entre los puntos principales y los puntos conjugados de dos fotografías aéreas que forman un estéreopar. Finalmente, las alturas de los obstáculos, con su identificación correspondiente, se marcaron sobre los mosaicos ortorectificados de cada aeropuerto, utilizando un SIG. La relación de las fotografías aéreas fotointerpretadas por cada aeropuerto, se presenta en la Tabla 2.

Durante el análisis de los estereopares, con los que se midieron las alturas de la mayoría de los obstáculos, algunas estructuras metálicas utilizadas como soporte de antenas no pudieron ser reconocidas, por lo que fue necesario llevar a cabo un exhaustivo trabajo de campo para verificar su altura y su ubicación geográfica. En la siguiente sección se hace una descripción del procedimiento efectuado para llevar a cabo una verificación positiva de todos los obstáculos localizados alrededor de la pista. Se interpretó un total de 464 fotografías aéreas de las cuales se estimó un total de 624 obstáculos en los cinco aeropuertos. Después de la revisión desde las cabeceras de las pistas el número de obstáculos aumentó en 144, con la distribución por aeropuerto que se muestra en la Tabla 2, siendo las torres de alta tensión y las estructuras delgadas de antenas las que aportaron el mayor número de limitaciones y en menor medida los otros ya mencionados. Después de cruzar los datos correspondientes de las pendientes de aproximación y despegue, y de las superficies horizontal interna y cónica, en un SIG, se hizo la depuración de obstáculos añadiendo algunos y suprimiendo otros más. El caso de CEN es de llamar la atención, debido a que el número de torres de alta tensión, pasó de 90 a 270, ya que el análisis demostró que se encontraban dentro de la zona de limitación de obstáculos del aeropuerto.

Revisión de obstáculos desde ambas cabeceras de la pista

Una manera muy práctica de resolver el problema de la identificación de las estructuras metálicas delgadas donde se ubican antenas de comunicaciones, fue a través de un barrido desde ambas cabeceras de la pista. Esto se llevó a cabo mediante el uso de unos binoculares con distanciómetro integrado, anotando la longitud y el azimut de cada obstáculo. éstos fueron marcados en un mapa impreso y fue sencillo localizarlos en campo, medirlos y georreferenciarlos. Para el cálculo de las alturas se utilizó un método geométrico tradicional, donde a partir de una distancia medida desde la base del obstáculo, se obtiene un ángulo y se calcula la altura por medio de la función tangente. Para la georreferencia de los obstáculos se utilizaron nuevamente los receptores geodésicos TOPCON Hiper L1, trabajando en modo diferencial. El error máximo se ubicó en 1.02 m, en Ciudad Obregón, Sonora; no obstante, este valor cae dentro de la precisión exigida para este trabajo, ya que para la zona de influencia de la terminal aérea (45 km), es de 5 m en horizontal y 3 en vertical (OACI documento 9881, 2007). En la última columna de la Tabla 1 se muestra el error máximo en la solución de la posición de los obstáculos para los diferentes aeropuertos.

Bases de datos de obstáculos (fotográfica y de coordenadas)

Ya que se contó con la base de datos de los obstáculos de cada uno de los aeropuertos; que incluye una descripción del tipo al que pertenece, sus coordenadas, su altura y su elevación; se agregó un hipervínculo a cada registro que lo liga desde el mapa correspondiente, para facilitar el acceso a esta información. De esta manera, a través de las cartas en formato digital, se podrá hacer una consulta visual y conocer las características de cada obstáculo, esto será una ventaja para el operador del aeropuerto o el piloto que lo requiera, y así facilitar su identificación.

Elaboración de planos de obstáculos

Como ya se ha mencionado, la altitud de los obstáculos en torno a los aeropuertos es de particular importancia para la operación de las aeronaves. Es indispensable pensar en tres dimensiones al momento de plasmar los obstáculos en los mapas, ya que hay que considerar distancias y pendientes medidas desde el ARP. En los planos de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C, que son los más críticos dentro de las 17 clases de cartas manejadas por la OACI (Hajnal, 2001), se proporciona información detallada sobre la clasificación, la posición y la altura de los obstáculos. Esto permite a los usuarios efectuar los complejos cálculos de masa de despegue, considerando la eficiencia mínima de la aeronave y la distancia a la que se encuentran los obstáculos; datos necesarios para hacer frente a casos de emergencia, como la falla de un motor al iniciar el vuelo.

Sistema de Referencia

El Sistema Geodésico Mundial WGS 84 ha sido adoptado como estándar en la aviación como referencia horizontal, mientras que la altitud sobre el nivel medio del mar (snmm), constituye la referencia vertical. Para obtener la altitud snmm, es necesario utilizar un modelo geoidal adecuado, por lo que la OACI recomienda el EGM–96 (Earth Gravitational Model 1996), sin embargo, especifica que si éste no es utilizado (OACI documento 9881, 2007), entonces se señale cuál se empleó para obtener las alturas ortométricas. En el caso que nos ocupa, se echó mano del geoide gravimétrico mexicano de INEGI (INEGI, 2011c), para obtener la ondulación geoidal obteniendo la altitud sobre el nivel medio del mar, a través de la fórmula:

H es la altura sobre el elipsoide de referencia (WGS_84)

y g es la ondulación geoidal.

El error del modelo es de 36 cm, por lo que para aplicaciones más precisas es necesario recurrir a otros métodos.

Elaboración del plano de aeródromo

El plano de aeródromo incluye la pista, las calles de rodaje, la torre de control y otras instalaciones aeroportuarias. A partir del mosaico ortorectificado formado con las imágenes del vuelo bajo, se trazaron los vectores correspondientes y se generó el mapa de aeródromo (Figura 9).

Elaboración de planos de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C

Estos datos se proporcionan para todo aeródromo en cuya trayectoria de aterrizaje y despegue haya obstrucciones destacadas, es decir, aquéllas que sobrepasan las alturas permitidas en las superficies limitadoras de obstáculos. En el plano de obstáculos de aeródromo tipo A, debe aparecer una vista en planta y otra de perfil de la pista y las superficies de aproximación y despegue (Figura 10), describiendo adecuadamente las distancias disponibles para el recorrido de despegue, antes de que haya alguna obstrucción. El tipo B, incluye una vista en planta de una zona que abarca 15 km desde el ARP, donde se indican los obstáculos, la topografía, la mancha urbana y los cuerpos de agua (Figura 11). El Plano de obstáculos de aeródromo tipo C proporciona información de las obstrucciones abarcando una zona situada a una distancia de hasta 45 km desde la pista, como se muestra en la Figura 12 (OACI, 2001; OACI anexo 14, 2004; OACI documento 9881, 2007).

Integración de mapas de aeródromo en un SIG

La elaboración de las cartas aeronáuticas fue un proceso que inició con la recopilación de la cartografía base en formato digital, misma que fue corregida y actualizada; la planeación y realización de los vuelos para cubrir el área de interés, considerando de manera especial las superficies limitadoras de obstáculos; los procesos de fotointerpretación para identificar y medir obstáculos; el procesamiento de las imágenes hasta formar los mosaicos ortorectificados; la verificación en campo y la identificación de obstáculos desde las cabeceras de las pistas; la revisión de los mapas por las autoridades aeronáuticas correspondientes; finalizando con el trabajo de gabinete, en el que se integró toda la información en un SIG. Al terminar la edición cartográfica para cada plano, se respaldaron los proyectos en formato MXD, propio del software utilizado (ArcGIS 9.2), y cada una de las capas agregadas, como SHP (shape). A esta información se puede tener acceso mediante ArcMap de ArcGIS para la edición, modificación y actualización de los planos, así como de sus bases de datos.

Conclusiones

La metodología descrita en este artículo y utilizada en la elaboración de las cartas aeronáuticas para cinco aeropuertos mexicanos, demostró su utilidad ya que permitió que se cumplieran satisfactoriamente los requisitos establecidos por la OACI. Los mapas pasaron revisiones exhaustivas por parte de autoridades aeronáuticas mexicanas, como son: la Dirección General de Aeronáutica Civil (DGAC) y Servicios para la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano (SENEAM), antes de ser publicados.

Los mapas de aeródromo y de obstáculos de aeródromo tipos A, B y C, fueron generados siguiendo las especificaciones de la norma ISO 19131 (OACI Documento 9881, 2007), esto permite que toda la información, sus atributos y las reglas de codificación de los mismos, su geometría, su mantenimiento, los requisitos de calidad y los metadatos, estén estandarizados y que el intercambio de dicha información se pueda hacer de una manera consistente y confiable. La fotografía aérea digital de pequeño formato demostró una vez más su versatilidad y utilidad en la elaboración de mapas, en este caso con una escala de 1:10 000 en los vuelos a 10 000 pies de altura sobre el terreno y de 1:4 000 en los vuelos a 5 000 pies, obteniéndose errores RMS del orden de 40 y 19 cm, respectivamente, que cumplen y superan los Requerimientos de Precisión en las Coordenadas (X,Y) para los Detalles Planimétricos (Clase 1), para Puntos Bien Definidos (ASPRS, 2007). Los métodos fotogramétricos desarrollados y adaptados en los últimos años para fotografía aérea de pequeño formato (Frayer, 1996; Wolf and Dewit, 2000; Prado et al., 2006; Ahmad, 2010; Ramírez, 2011; Prado y Peralta 2012), son una herramienta muy valiosa en la elaboración de cartografía donde se exige que los errores sean del orden de 0.5 m, como en el caso aquí presentado; no obstante, fue necesario efectuar un costoso trabajo de campo para obtener puntos de control terrestre sobre las pistas, con receptores geodésicos, fundamentales para alcanzar esta precisión. La modalidad de producir los mapas de obstáculos en versiones digitales permite la actualización de las bases de datos de una manera muy sencilla, esto es muy importante, ya que muchos de los aeropuertos del mundo están inmersos dentro de las ciudades, lo que aumenta continuamente la cantidad de obstrucciones. El reporte de los pilotos así como un barrido periódico con binoculares desde las cabeceras de la pista, son actividades muy importantes para este proceso. De acuerdo con el Anexo 15 del Convenio sobre Aviación Civil Internacional (OACI Documento 9881, 2007), los datos de obstáculos, deben ser actualizados conforme con la programación establecida por la AIRAC (Aeronautical Information Regulation And Control) y que se establece en ciclos de 28 o 56 días. La AIRAC es una Publicación de Información Aeronáutica (AIP) emitida por las autoridades de aviación locales y que es esencial para la navegación. No hay especificaciones para actualizar los datos del terreno (área 1), es decir, estas bases de datos deben responder a las necesidades particulares de cada aeródromo.

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Glosario

Aeródromo: área definida de tierra o de agua (que incluye todas sus edificaciones, instalaciones y equipos) destinada total o parcialmente a la llegada, salida y movimiento en superficie de aeronaves.

AIRAC: Aeronautical Information Regulation And Control.

Altitud, elevación: distancia vertical entre un nivel, punto u objeto considerado como punto, y el nivel medio del mar (MSL).

Altura: distancia vertical entre un nivel, punto u objeto considerado como punto, y una referencia especificada.

Altura elipsoidal, altura geodésica: la altura sobre el elipsoide de referencia, medida a lo largo de la normal elipsoidal exterior por el punto en cuestión.

Altura ortométrica: altura de un punto relativa al geoide, que se expresa generalmente como una elevación MSL (Mean Sea Level). Sobre el nivel medio del mar (snmm).

ArcGIS 9.2: programa de computadora (Sistema de información Geográfica) utilizado para crear consultas interactivas, procesar, editar datos, analizar información geoespacial y presentar los resultados de todas estas operaciones.

ARP: Airport Reference Point. Punto de referencia de aeródromo. Es el lugar que define las coordenadas de localización del aeródromo.

ASA: Aeropuertos y Servicios Auxiliares. México.

ASPRS: American Society for Photogrammetry and Remote Sensing.

CREI: cuerpo de Rescate y Extinción de Incendios. Base de bomberos localizada dentro del aeródromo.

Corrección topológica: en la cartografía digitalizada es común encontrar errores topológicos en los datos vectoriales, mismos que deben ser corregidos; a este proceso se le conoce como corrección topológica. Así por ejemplo, las curvas de nivel deben estar conectadas en toda su trayectoria, especialmente en la unión de dos cartas contiguas.

Designador de aeropuerto: es un código de tres letras que designa a cada aeropuerto del mundo.

Detalle planimétrico: es la precisión que se tiene en un mapa de un determinado objeto al ubicarse en el plano X, Y.

Elevación: distancia vertical entre un punto o un nivel de la superficie de la tierra, o unido a ella, y el nivel medio del mar.

Elevación del aeródromo: elevación del punto más alto del área de aterrizaje.

Error RMS: error cuadrático medio o Root Mean Square que es una cantidad que indica la desviación de una variable aleatoria a partir de un valor estándar aceptado como válido.

Estéreopar: un par de fotografías mostrando ambas el mismo objeto desde un punto diferente pero muy cercano, de tal manera que cuando las dos se encuentran juntas un ojo observa una imagen y el otro observa la parte correspondiente de la otra fotografía. El resultado es un efecto tridimensional aparente.

ESRI: Environmental Systems Research Institute.

Fotogrametría: la ciencia que determina las dimensiones físicas de los objetos a partir de mediciones sobre imágenes (usualmente fotografías).

Geoidal: objeto de forma casi esférica que puede tener uno o más achatamientos, como la Tierra, por lo que a esta geometría se le denomina geoide.

Geoide gravimétrico mexicano (GGM): es un modelo digital de altura geoidal de alta resolución que cubre la región 14º a 33º de latitud norte y 86º a 119º de longitud oeste, desarrollado por el INEGI.

Geoide: superficie equipotencial en el campo de gravedad de la Tierra que coincide con el nivel medio del mar (MSL) en calma y su prolongación continental. Nota.– El geoide tiene forma irregular debido a las perturbaciones gravitacionales locales (distribución desigual de masa en la Tierra, mareas, salinidad, corrientes, etc.).

Georreferenciación: posicionamiento con el cual se define la localización de una imagen en un sistema de coordenadas y datum determinados. Esto se hace con un mapa u otro tipo de cartografía, asignándole así una referencia sobre la Tierra.

GNSS: acrónimo de Global Navigation Satellite System, utilizado para denominar al conjunto de sistemas de posicionamiento satelital e incluye a los actuales GPS y GLONASS, y al sistema de la Unión Europea, actualmente en desarrollo, GALILEO.

GRS80: Geodetic Reference System 1980.

ID: IDentificación.

Interferometría: técnica que utiliza el patrón de interferencia creado por superposición de dos o más ondas con un desfase en la longitud de una de éstas, para hacer mediciones.

ITRF92: International Terrestrial Reference Frame, 1992.

Levantamiento aéreo: campaña en la que las fotografías aéreas son la fuente principal de datos.

LIDAR: Light Detection and Ranging. Medición de distancias por detección de luz.

Marcas fiduciales: el plano focal de cada cámara aerofotográfica incluye de 4 a 8 puntos de referencia, conocidos como marcas fiduciales. éstas son posiciones medidas de manera precisa en el marco de exposición de cada fotografía y sirven para representar un marco de referencia de fotocoordenadas X, Y.

Metadatos: datos respecto a datos (ISO 19115). Nota: Datos que describen y documentan datos.

OACI: Organización de Aviación Civil Internacional.

Obstáculo: todo objeto fijo (ya sea temporal o permanente) o móvil, o partes del mismo, que esté situado en un área destinada al movimiento de las aeronaves en la superficie o que sobresalga de una superficie definida destinada a proteger a las aeronaves en vuelo.

Ondulación geoidal: la distancia del geoide por encima (positiva) o por debajo (negativa) del elipsoide matemático de referencia.

Ortoimagen: imagen aérea que fue corregida geométricamente, compensando los errores introducidos por la cámara, la variación en el apuntamiento durante el vuelo y la diferencia de alturas del terreno y que representa una proyección plana de una porción del terreno o una superficie.

Planimetría: representación a escala de los detalles del terreno sobre una superficie plana prescindiendo de su relieve y que se representa en una proyección horizontal.

Punto de control geodésico: es un punto geométrico obtenido a partir de una referencia bien conocida (red geodésica), cuya localización en el terreno ha sido determinado a través de un proceso que tomó en cuenta las características físicas de la tierra.

Receptor GPS geodésico: receptor satelital capaz de corregir su posición a partir de las correcciones diferenciales obtenidas de una base colocada en un punto geodésico con coordenadas precisas expresadas en un marco de referencia geocéntrico o global. El error de posición es de centímetros o milímetros.

RGNA: Red Geodésica Nacional Activa. INEGI, México.

RINEX: Receiver Independent Exchange format. Formato de intercambio de archivos independiente del receptor.

SENEAM: Servicios a la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano.

Shapefile o shape: es un archivo informático propietario de datos espaciales desarrollado por la compañía ESRI, actualmente convertido en formato estándar, para el intercambio de información geográfica. Formato vectorial de almacenamiento digital donde se guarda la localización de los elementos geográficos y los atributos asociados a ellos.

SIG: sistema de información geográfica.

WGS84: Word Geodetic System 1984.