En esta primera fase (i), se realizó la adquisición de datos en campo, para ello fue necesario realizar inicialmente un reconocimiento en campo de los patrones característicos del envejecimiento de pavimentos asfálticos para la toma de las firmas espectrales y que a su vez se encuentran descritos en la Tabla 5. Para la toma de la respuesta espectral de las fallas características de envejecimiento en campo se siguió el protocolo para captura de firmas espectrales en campo aplicada al levantamiento de suelos usado por el Centro de Investigación y Desarrollo de Información Geográfica (CIAF) [43].
El flujo de trabajo que corresponde a la captura de las firmas espectrales en campo se encuentra comprendido inicialmente por la selección del número de muestras características de la condición de envejecimiento en pavimentos flexibles en la zona de estudio y su respectiva localización en campo mediante el sistema de posicionamiento global (GPS). Para el desarrollo de esta etapa se identificaron previamente siete (7) unidades de análisis características del envejecimiento (Tabla 5), las cuales corresponden con: Pavimento nuevo, fisuras transversales y longitudinales, agrietamiento de tipo piel de cocodrilo, pavimento con desgaste superficial leve o menor (raveling), grava, y baches o huecos. También se capturo información de las firmas espectrales de elementos que se encuentran presentes en la vía y que no corresponden con información referente al envejecimiento del pavimento tales como sello grieta lechada, manchas de aceite y pintura, para un total de diez (10) unidades de análisis.
Tabla 5. Unidades de Análisis para el Muestreo
ID Unidad de Análisis Descripción Fotografía
1 Pavimento Nuevo Pavimento en estado inicial o nuevo.
2
Pavimento con desgaste superficial leve o menor
(Raveling)
Pavimento con pérdida de la superficie asfáltica en menor grado.
3 Grava
Característica de envejecimiento avanzado y pérdida de gran parte de la superficie asfáltica.
4 Piel de Cocodrilo Grieta en forma de malla en la que se evidencia la pérdida de la superficie asfáltica.
5 Grietas Longitudinales
Grietas producidas por la humedad que aparecen paralelas o longitudinalmente al eje de la vía.
6 Grietas Transversales
Grietas producidas por la humedad que aparecen de forma transversal al eje de la vía.
7 Baches
Pérdida completa de la capa de rodadura de la superficie asfáltica.
8 Sello grieta lechada
Rehabilitación del pavimento mediante el sellado de grietas con bitumen.
9 Pintura de la Vía
Pintura de señalización vial que se encuentra sobre el pavimento.
10 Manchas de Aceite
Manchas de aceite producidas por los carros sobre el pavimento.
Luego de seleccionadas las unidades de análisis, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones en el momento de la captura:
Muestreo. Dada la naturaleza de las variables de tipo discreto, se consideró la determinación de las unidades de muestreo para evaluación como se haría en la evaluación usada por la metodología PCI [28]. En la evaluación se deben inspeccionar todas las unidades; sin embargo, de no ser posible, el número mínimo de unidades de muestreo que deben evaluarse o en este caso tomar muestra de su firma espectral, se obtiene mediante la Ecuación 4, la cual produce un estimado del PCI ± 5 del promedio verdadero con una confiabilidad del 95%.
𝑛 =
𝑒2 𝑁∗𝜎24∗(𝑁−1)+𝜎2
(4)
En dónde n es el número mínimo de unidades de muestreo a evaluar, N Número total de unidades de muestreo en la sección del pavimento, e el error admisible en el estimativo del PCI de la sección (e = 5%), y σ la desviación estándar del PCI entre las unidades.
Durante la inspección inicial se supone una desviación estándar (σ) del PCI de 10 para pavimento asfáltico. Cuando el número mínimo de unidades a evaluar es menor que cinco (n < 5), todas las unidades deberán evaluarse.
Definidas las unidades de análisis (Tabla 5), se determinó el número de unidades de muestreo en la evaluación y captura de su firma espectral característica en campo, para lo que se inspeccionaron cuatro carriles de 3 metros de ancho sobre una sección de pavimento de 600 metros de longitud sobre la troncal 80. Encontrando un total de 35 unidades de muestreo (N) sobre esta sección del pavimento. El número mínimo de unidades de muestreo a evaluar (n) obtenidas aplicando la ecuación (4) corresponde con 11 unidades.
Información para el metadato de las firmas espectrales. Con el fin de alimentar el metadato correspondiente a cada una de las firmas tomadas para cada una de las unidades de análisis seleccionadas, se registró la siguiente información al momento de la captura de las muestras:
Tipo de Fisura
Nombre Firma Espectral
Fecha
Hora
Ubicación (Coordenadas GPS)
Altura Instrumental (Desde el suelo a la Fibra Óptica)
Fotografía (Cámara)
Presencia Sombras (Al momento de la toma)
Presencia de Nubes
Temperatura (Al momento de la toma)
Cálculo de la altura instrumental de la fibra óptica. Como posterior a el proceso de adquisición de datos en campo, las firmas espectrales fueron clasificadas sobre una imagen multiespectral del sensor WorldView-3, que posee una resolución espacial en la Pancromática de 0.5 m y en las bandas multiespectrales de 2.2 m, con un FOV (Field of View o ángulo de campo en el que el sensor alcanza a registrar información) al momento de la toma de 23° en condiciones ambientales y de nubes favorables, parámetros con los cuales se realizó la selección de la altura instrumental más conveniente para la toma de los datos en campo. En la Tabla 6 resume la altura instrumental a la cual fue colocada la fibra óptica de acuerdo al área efectiva que se quería registrar.
Tabla 6. Cálculo de la Altura Instrumental
FOV Tamaño Píxel (m) Área Efectiva (m2) Altura Instrumental (m)
25° 0,5 0,25 1,2 – 1,3
25° 2,0 4,84 4,2 – 4,5
Fuente: Adaptada de Protocolo para el proceso de captura de firmas espectrales aplicada al levantamiento de suelos CIAF, 2013 [43]
Para la captura de las muestras para cada una de las unidades de análisis, se registró información con la fibra óptica a 1 y 2 metros de altura.
Fecha y Hora de Toma del Muestreo. La toma de las muestras se realizó el día domingo 08 de marzo entre las 10:30 a.m. hasta la 1:20 de la tarde, este horario se encuentra dentro del recomendado en el protocolo de campo [43]. Cabe anotar que si bien se pudo realizar el registro de los datos dentro del horario recomendado, la toma de las firmas espectrales sobre una vía vehicular altamente transitada no resulto ser tarea fácil, ya que se debió realizar control del tráfico para realizar cada toma y no se capturaron todas las fallas presentes a lo largo del tramo estudiado, sino que se tomaron muestras representativas de las fallas comunes en toda la zona.
Orientación del Muestreo. El registro de las firmas espectrales se realizó por un operador ubicado mirando hacia el Norte o Sur de la zona de estudio.
Registro de los datos de las firmas espectrales. El registro de las firmas por muestra fue de 10 con intervalos de 3 segundos entre toma y toma.
Cantidad de Muestras: la toma se realizó para un total de dieciocho (18) muestras a 1 y 2 metros de altura en cada una las diez (10) unidades de análisis seleccionadas. Para un total de treinta y seis (36) muestras espectrales recolectadas en la campaña de campo, por cada muestra se tomaron diez (10) registros de su firma espectral para un total de 360 registros de firmas espectrales. En la Tabla 7, se puede observar un resumen de los datos obtenidos resultado de la campaña.
Otras Consideraciones. Se hizo uso de ropa oscura preferiblemente en algodón para la captura de las firmas espectrales. También se realizó una señalización adecuada al momento de la toma, ya que esta se realizó sobre una vía altamente transitada.
Equipo de captura de datos espectrales. Las lecturas de las firmas espectrales del estado del pavimento fueron adquiridas con un espectroradiómetro ASD modelo FieldSpec 4 Standard-Res Spectroradiometer. Este instrumento captura longitudes de onda entre 350- 2500 nm, con una separación en el espectro electromagnético de 3 nm a 700 nm y de 10 nm a 1400/2100 nm. Con una exactitud en la longitud de onda de 0.5 nm (Ver Anexo 1). Para cada lectura se calibró el instrumento con el spectralon (blanco de referencia), se tomaron alrededor de 10 lecturas por muestra a una altura instrumental de 1 y 2 metros para evitar cualquier sesgo o error instrumental. El instrumento directamente proporciona valores de reflectancia y absorbancia.
Un aspecto importante en la toma de las firmas espectrales en campo correspondió con la calibración del sensor antes del registro de datos para cada muestra, tomando el blanco de
referencia antes del registro si se presentaban cambios en las condiciones atmosféricas al momento de la captura.
En la Tabla 7 se pueden observar las unidades de análisis encontradas en las zonas de estudio y el número de muestras adquiridas de acuerdo a la altura instrumental al momento de la toma.
Tabla 7. Muestreo de Campo por Unidad de Análisis
id Unidad de Análisis No. Muestras Adquiridas a 1 m de altura instrumental No. Muestras Adquiridas a 2 m de altura instrumental 1 Pavimento Nuevo 2 2
2 Pavimento Raveling con 2 2
3 Grava 2 2
4 Piel de Cocodrilo 2 2
5 Grietas Longitudinales 1 1
6 Grietas Transversales 2 2
7 Baches 1 1
8 Sello Grieta Lechada 3 2
9 Pintura Vía 1 1
10 Manchas de Aceite 3 2
Total 19 17
36
Paralelo al proceso de registro de firmas espectrales se georeferenciaron cada una de las muestras adquiridas en campo, esto se realizó mediante un posicionamiento estático cinemático con receptores TOPCON HiPer de doble frecuencia, en donde se consideró un receptor de rastreo continuo en un vértice conocido con placa IGAC de nombre 19-BGT con coordenadas planas MAGNA Colombia Bogotá Norte= 112259.3 m y Este= 96576.9, y otro receptor posicionando cada muestra. En la Tabla 8 se puede observar el metadato para cada una de las muestras obtenidas en campo, las coordenadas norte, Este y elevación en el sistema de referencia MAGNA Colombia Bogotá, la condición climática al momento de la captura, la temperatura y las diferentes alturas instrumentales a las que fue capturada esa muestra.
Tabla 8. Información Recolectada en la Campaña de Campo
Id Tipo de Falla Norte Este Elevación Condición Climática Temperatura (°C)
Altura Instrumental
(m) 1 Pavimento con Raveling 1012492,119 996271,418 2577,471 Soleado 18 1 - 2
2 Sello Grieta Lechada 1012499,471 996244,858 2577,695 Soleado 18 0.5 - 1 - 2
3 Grava 1012523,504 996226,36 2578,543 Soleado 18 1 - 2
4 Sello Grieta
Lechada 1012559,804 996181,366 2577,518 Soleado 18 1 - 2
5 Grava 1012586,344 996162,202 2576,093 Soleado 19 1 - 2
6 Pavimento con Raveling 1012662,031 996082,115 2577,279 Nublado 19 1 - 2
7 Manchas de Aceite 1012656,775 996081,078 2577,317 Soleado 19 0.5
8 Manchas de Aceite 1012681,166 996063,182 2575,588 Soleado 20 1 - 2
9 Pavimento Nuevo 1012401,403 996317,924 2578,501 Soleado 20 1 - 2
10 Manchas de Aceite 1012404,34 996309,995 2576,785 Soleado 20 1 - 2
11 Grietas Transversales 1012402,81 996311,968 2576,732 Soleado 20 1 - 2
12 Piel de Cocodrilo 1012358,573 996357,871 2577,979 Soleado 20 1 - 2
13 Pavimento Nuevo 1012357,793 996368,199 2578,147 Soleado 20 1 - 2
14 Piel de Cocodrilo 1012303,117 996413,386 2577,933 Soleado 20 1 - 2
15 Baches 1012293,264 996425,134 2578,625 Soleado 20 1 - 2
16 Grietas Transversales 1012285,207 996433,999 2577,673 Soleado 20 1 - 2
17 Grietas Longitudinales 1012281,163 996446,688 2578,173 Nublado 19 1 - 2
18 Pintura Vía 1012255,213 996425,738 2577,331 Soleado 20 1 - 2
Para el desarrollo de la Fase 2 (ii) se contó con una imagen satelital capturada el 05 de Enero del 2015 por el sensor WorldView-3. Este sensor presenta una rango espectral entre los 470 y los 940 nm [19], de acuerdo con los estudios de Herold y Gardner [44] este rango cubre la longitud de onda en el espectro suficiente para la categorización en superficies urbanas, de igual forma la imagen cuenta con una resolución espacial de 2 m, lo que garantiza la correspondencia entre el área de registro de la respuesta espectral para cada tipo de falla y el área del píxel en las imágenes.