Modelos de elevación para drenaje y canales

Los modelos de elevación obtenidos de un vuelo con dron generan mapas de relieve de aspecto convincente, y de ahí surge la tentación de usarlos para calcular el trazado, la pendiente o la capacidad de un canal. Para ese uso un modelo digital de superficie no es adecuado. Las razones son geométricas y físicas, y se mantienen aunque el vuelo sea de buena calidad.

Lo que el modelo de superficie registra en un canal

El modelo de superficie contiene la elevación de lo primero que se ve desde arriba. En los bordes de un canal esa superficie es la de la vegetación que crece en ellos: pastos altos, arbustos, ramas que se inclinan sobre el cauce. El modelo muestra entonces un borde elevado por la altura de esa vegetación y no la cota del terreno donde ella nace. Si el canal tiene unos pocos metros de ancho y la vegetación del borde más de un metro de alto (valores ilustrativos), el cauce aparece como una zanja angosta cubierta por follaje, o no aparece.

El fondo del canal, que es la cota que define el diseño, no es visible desde arriba cuando hay vegetación, sombra profunda o agua, y por tanto no figura en el modelo de superficie.

El agua y la reconstrucción fotogramétrica

El agua en calma carece de la textura que la reconstrucción requiere, como se describió en El ortomosaico. Cuando la reconstrucción logra un resultado, este corresponde a la lámina de agua y no al fondo, porque la luz que registra una cámara convencional no atraviesa un agua turbia ni cubierta por vegetación acuática, y la cota de la lámina cambia con el caudal y con la época, de modo que tampoco sustituye a la cota del fondo. Existen métodos fotogramétricos para aguas someras muy claras que corrigen la refracción, pero no se aplican a los canales agrícolas habituales.

Análisis de flujo sobre un modelo de superficie

El análisis de flujo calcula hacia dónde escurriría el agua sobre una superficie, asignando a cada píxel el sentido hacia el vecino con mayor pendiente descendente. Aplicado a un modelo de superficie, trata las filas de plantas y las copas como relieve. El agua calculada rodea las copas o las atraviesa y se acumula en depresiones que corresponden a los huecos entre copas o a errores de la reconstrucción. El resultado conduce el agua por encima de la vegetación y muestra trayectorias que el agua real, que corre sobre el suelo, no sigue.

Las alcantarillas y los pasos bajo caminos no aparecen en ningún modelo de elevación, sea de superficie o de terreno, porque el agua pasa por debajo de la superficie que el modelo registra. El análisis de flujo los trata como diques mientras no se incorporen al cálculo.

Error vertical y desnivel

Un canal de drenaje tiene pendientes muy suaves. La pendiente es el cociente entre el desnivel y la longitud.

Pendiente = desnivel / longitud

Una pendiente de 0,1 % equivale a 10 cm de desnivel cada 100 m. A modo de ejemplo, un tramo de 100 m con esa pendiente tiene un desnivel de 10 cm entre sus extremos.

El error vertical de un modelo fotogramétrico es, en general, mayor que el horizontal. Sin puntos de control, va de algunos centímetros, si las fotografías llevan posición corregida y no hay sesgos, a decímetros o metros si no la llevan o si existe un sesgo sistemático; con un buen control terrestre y suelo descubierto se reduce a unos pocos centímetros (órdenes de magnitud, que dependen del vuelo). Si los errores de los dos extremos del tramo son independientes y de 10 cm cada uno, el error de su diferencia es de 10 × √2, unos 14 cm, mayor que el desnivel del ejemplo, de modo que la pendiente calculada tendría una incertidumbre cercana a 0,14 %, superior a la pendiente que se quiere medir. El sentido del flujo calculado puede incluso invertirse.

Un desplazamiento vertical común a todo el modelo se cancela en la diferencia. Lo que no se cancela es el ruido local y las deformaciones de gran escala que los bloques de fotografías pueden presentar, y que no se detectan sin puntos de verificación. Incluso con 5 cm de error en cada extremo, la incertidumbre de la diferencia (unos 7 cm) sería alrededor del 70 % del desnivel del ejemplo.

Perfil longitudinal de un canal de drenaje con una pendiente muy suave, con la escala vertical muy exagerada, en cuatro pasos. Primero se muestra el fondo real y su desnivel, de 10 centímetros en 100 metros a modo de ejemplo. Luego, el perfil de un modelo de superficie resulta ruidoso por la vegetación de los bordes y por la lámina de agua sin textura, y presenta contrapendientes falsas. Después, una banda de error vertical sin control terrestre es comparable o mayor que el desnivel, y caben pendientes distintas. Por último, el perfil levantado en campo sobre el fondo permite leer la pendiente.

Información que sí se necesita

La información requerida depende del uso. Para la planificación sobre el lote, como la identificación de zonas bajas, del escurrimiento superficial o de un trazado preliminar, basta un modelo digital de terreno de calidad sobre suelo descubierto, procedente de un vuelo hecho sin vegetación o de un láser aerotransportado, con puntos de control y de verificación medidos con receptores de posicionamiento satelital con corrección en tiempo real o en posproceso.

Para el diseño o la revisión de la rasante y de la capacidad de un canal se requiere un levantamiento topográfico con instrumentos de campo, como el nivel óptico o digital, la estación total o el receptor de alta exactitud, que determine la cota del fondo, de los bordes y de las estructuras a lo largo del eje y en secciones transversales, con una exactitud vertical menor que el desnivel de interés. Ni el vuelo fotogramétrico ni el láser aerotransportado habitual registran el fondo bajo el agua, de modo que en los canales con agua las cotas del fondo se miden en campo.

En un proyecto de drenaje el vuelo permite concentrar el levantamiento en los tramos y estructuras que lo requieren. Los cálculos hidráulicos de capacidad y de pendiente se basan en información medida con instrumentos de campo.

Aportes del vuelo al drenaje

El ortomosaico de un vuelo posterior a una lluvia intensa muestra dónde se acumula el agua, qué sectores del lote permanecen encharcados y con qué extensión. También permite inventariar el trazado visible de los canales, las obstrucciones, el estado de la vegetación de los bordes y la presencia de sedimentos. Esa información orienta dónde levantar con mayor detalle, y la diferencia entre el modelo de superficie y un terreno de referencia permite estimar qué altura tiene la vegetación que se debe retirar.