Determinación del eje de la carretera

La toma de datos para la determinación del eje de la carretera en servicio se puede hacer por distintos procedimientos. El más preciso es el levantamiento topográfico sobre el terreno, pero es un procedimiento lento, de coste elevado y, sobre todo, que conlleva riesgos altos para el personal encargado de su ejecución.

Una posible fuente de obtención de datos son las fotografías aéreas o de satélite. Algunos autores utilizan algoritmos SIG de detección de bordes aplicados sobre las fotografías para extraer las líneas de las carreteras. Este procedimiento tiene el inconveniente de depender en gran medida de la calidad y resolución de

dichas fotografías (Easa et al., 2007; Dong et al., 2007; Tsai et al., 2010). Otros

autores digitalizan manualmente una colección de puntos siguiendo el trazado de

la carretera sobre las fotografías (Camacho-Torregrosa et al., 2015). En ambos

casos, la información que se obtiene es sólo información relativa a la geometría en planta, ninguno de los dos procedimientos proporciona datos de altitud. Se puede combinar alguno de los procedimientos anteriores con la utilización de cartografía de Modelos Digitales de Elevaciones para obtener el dato de altitud de las líneas (Castro et al., 2011;Boucher, 2013).

Para la obtención de los puntos del eje de la carretera también se utilizan sistemas de posicionamiento por satélite montados sobre un vehículo que recorra

la vía. Estos dispositivos se denominan de manera general Global Navigation

Satellite System, GNSS. También se denominan sistemas GPS, si bien las siglas

GPS corresponden al sistema de posicionamiento de EEUU, que era el único que

había disponible hasta hace unos años. Actualmente, en Europa, es posible leer la señal de los satelites correspondientes al sistema GLONASS ruso y al sistema Galileo de la Unión Europea. En Asia-Pacífico se puede acceder también el

sistema GNSS chino, denominado BeiDou, que es el nombre con que se conoce a

la constelación de la Osa Mayor en la astronomía china (National Oceanic and

Atmospheric Agency, 2016; European GNSS Agency, 2016; Russian Federal Space Agency, 2016;China National Space Administration, 2016).

Los dispositivos GNSS van registrando las coordenadas de los puntos del recorrido a intervalos de tiempo regulares. La frecuencia de los puntos depende de las características de los aparatos utilizados, pudiendo variar entre una posición

cada segundo en un smartphone de gama alta y diez posiciones por segundo en

un dispositivo GNSS profesional de gama alta. Con estas frecuencias de muestreo, la distancia entre dos puntos sucesivos en un vehículo que recorra la vía a 80 Km/h

será de unos 20 metros en el caso delsmartphone y de unos 2 metros en el caso

de los aparatos profesionales de alta gama.

El resultado que entregan los dispositivos GNSS es una lista ordenada con las coordenadas de los puntos del recorrido, en el sistema de referencia WGS84 (National Imagery Mapping Agency, 2000). Esta serie de puntos procedentes de

un dispositivo GNSS se denomina la «traza» del recorrido, en inglés, el «track» del

recorrido. La traza del recorrido está compuesta por una colección ordenada de

puntos en tres dimensiones, de los que se conocen sus coordenadas longitud,

latitud yaltitud, normalmente referidas al sistema de referencia WGS-84.

Lo habitual es que el vehículo de medida recorra la carretera por uno de los carriles de circulación, por lo que es necesario aplicar procedimientos que permitan determinar el eje de la carretera a partir de las trazas, procedentes del aparato de medida. En carreteras de una sola calzada y un carril por sentido se puede recorrer la carretera una vez en cada sentido y tomar como eje los puntos medios de las

dos trazas GPS (Castro et al., 2006). También se pueden tomar varias trazas de

la misma carretera y establecer algún procedimiento para determinar el eje a partir de la información de las mismas. Se puede promediar el eje de la carretera a partir

de las trazas obtenidas de diversos vehículos (Pérez Zuriaga, 2012;García García

and Camacho Torregrosa, 2009). Liu et al. utilizan las trazas de dos mil taxis de

Shanghai emitiendo simultáneamente para establecer el mapa callejero del93% de

la ciudad en una hora y media (Liu et al., 2012).

La utilización de equipos dotados de corrección diferencial, denominados

DGPS (Dynamic Global Positioning System), permite alcanzar precisiones

sub-métricas. La corrección diferencial se basa en combinar la información del dispositivo GNSS montado en el vehículo con la información procedente de un equipo GNSS fijo en tierra en un punto del que se conocen con precisión sus coordenadas. El error en la medida de las coordenadas del punto fijo en cada instante de tiempo se aplica para corregir las posiciones obtenidas en el GNSS

embarcado en el vehículo. Baass y Vouland (2005) indican en su estudio que la precisión de los datos GPS con corrección diferencial estimada por el Ministerio de

Transporte de Canadá es de 25 cm en horizontal y 50 cm en vertical (Baass and

Vouland, 2005).

Se ha trabajado en la mejora de la precisión obtenida por el GPS incorporando la información proporcionada por otros sensores inerciales, como el acelerómetro.

Es lo que se denominan sistemas de navegación inercial. Una unidad de medición

inercial o IMU (del inglés Inertial Measurement Unit), es un dispositivo electrónico

que mide e informa acerca de la velocidad, orientación y fuerzas gravitacionales de un aparato, usando una combinación de acelerómetros y giróscopos. El procedimiento se basa en que, conocidas la posición y velocidad inicial del vehículo, y conocidas las aceleraciones instantáneas, es posible integrar la trayectoria. En este caso el error en la determinación de la posición aumenta con la distancia recorrida desde el punto fijo. Este procedimiento es muy útil en zonas donde, por algún motivo, se pierde la cobertura GNSS, como es el caso de los túneles. Jiménez et al. (2009) utilizan como posición inicial la proporcionada por un GPS y calculan la máxima distancia que es posible recorrer integrando la trayectoria antes de tener que volver a tomar posición del GPS. También proponen un procedimiento para poder filtrar la influencia de las aceleraciones dinámicas en la determinación de valores como las pendientes de la carretera a partir de dichos

sensores inerciales (Jiménez et al., 2009). Por su parte, Martí et al. (2012)

desarrollan algoritmos que permiten combinar la información procedente de dispositivos DGPS con la información procedente de una IMU y proponen aplicar

los resultados al desarrollo de sistemas automáticos de conducción (Martí et al.,

2012).

Uno de los problemas que aparecen al utilizar sistemas de posicionamiento GNSS, para la realización de inventarios de carreteras, es la poca precisión que proporcionan en la medición de las altitudes. Hay varias líneas de investigación que tratan de mejorar el posicionamiento proporcionado por los GNSS combinando la información de los mismos con la información procedente de otros sensores. Recientemente Boroujeni et al. (2013) han tratado de complementar la altitud obtenida con el dispositivo GNSS con el dato de presión atmosférica proporcionado por un barómetro. En concreto, Boroujeni et al. utilizan los datos proporcionados por un equipo GPS de bajo coste equipado con un barómetro altimétrico para calcular la pendiente media de una carretera y realizan un estudio del nivel de emisión de gases contaminantes en los vehículos en función de la pendiente de la

carretera (Boroujeni et al., 2013). Bai y Wang (2008), de la Universidad de

Nottingham, tratan de incrementar la precisión del posicionamiento del vehículo complementando la información proporcionada por el GPS con la aportada por la

cámara de vídeo y la de los datos GIS de la vía por la que se circula (Bai and

Wang, 2008). Limsoonthrakul et al. (2009) proponen mejorar la capacidad de

geolocalización complementando la información procedente del GPS con la

procedente del sensor magnético y de la cámara de vídeo (Limsoonthrakul et al.,

2009). Boucher (2013) combinó la información procedente de dos receptores GPS,

con la información de Modelos Digitales de Elevaciones existentes en fuentes

cartográficas públicas y la procedente de la base de datos de OpenStreetMap para obtener la proyección en planta y la altura de los puntos del eje de una carretera (Boucher, 2013).

Las casas comerciales dedicadas a la realización de inventarios, en general, utilizan técnicas y equipos similares para la recogida de datos y procesamiento de las curvaturas. Dichos equipos incluyen giróscopos, odómetros, clinómetros y unidades GPS. Los datos se van registrando de manera continua mientras el vehículo recorre la vía utilizando giróscopos de alta precisión para determinar la inclinación lateral y longitudinal del vehículo y sincronizando dichas medidas con la obtenida de los odómetros y del GPS. La frecuencia de recogida de los datos varía en función de la velocidad de recorrido, la precisión requerida y el tipo concreto de equipo utilizado. Los equipos utilizados actualmente permiten recoger datos cada pocos centímetros (Saura López et al., 2010;Findley et al., 2013).