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Desarrollo de un modelo para realización de Mapas Lumínicos mediante tecnología CCD y fotografias aéreas
(Expediente núm. 460637)
- 2014 -
Desarrollo de un modelo para realización de Mapas Lumínicos mediante tecnología CCD y fotografias aéreas
(Expediente núm. 460637)
C/ Loma de Dílar, 98 - 6ºA18008 GRANADATel.: 958 21 56 70Fax: 958 21 58 64
5Desarrollo de un modelo para realización de Mapas Lumínicos mediante tecnología CCD y fotografias aéreas (Expediente núm. 460637)
INDICE
1. OBJETO DEL PROYECTO ..........................................................................................................7
2. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................................8
2.1. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO .....................................................................................................9
3. DESARROLLO DEL PROYECTO. METODOLOGÍA .............................................................10
4. ELABORACIÓN DEL MAPA LUMÍNICO ..................................................................................11
4.1. VALORES LUMINICOS OBTENIDOS ........................................................................................... 11
4.2. CALIFICACIÓN ENERGÉTICA ........................................................................................................15
5. CONCLUSIONES ........................................................................................................................17
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................18
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1. OBJETO DEL PROYECTO
El presente trabajo tiene como objeto la fijación de directrices para el estudio de la eficiencia energética de insta-laciones de alumbrado exterior, a través de la creación de mapas lumínicos determinando la calificación energética de las zonas de estudio mediante el uso de fotografías aéreas nocturnas y su posterior tratamiento con programas específicos y Sistemas de Información Geográfica (SIG).
El presenta trabajo ha sido financiado a través de los INCENTIVOS PARA EL FOMENTO DE LA INNOVACIÓN Y DESA-RROLLO EMPRESARIAL EN ANDALUCIA mediante la Orden de 18 de Enero de 2012 de incentivos para el fomento de la innovación y desarrollo empresarial de Andalucía modificada por la Orden de 27 de Junio de 2013 (BOJA nº 126 de 1 de Julio de 2013) Id. Proyecto: 80432.
El proyecto ha sido encuadrado como Proyecto de INVESTIGACIÓN, DESARROLLO E INNOVACIÓN (I+D+I) en la categoría de Proyectos de aplicación del conocimiento existente.
En el trabajo se exponen los resultados obtenidos a partir de un vuelo sobre el municipio de Maracena (Granada) para comprobar la validez del sistema, donde se describen los valores lumínicos encontrados en la zona de estudio.
La finalidad de este estudio es la obtención de un modelo de trabajo extrapolable a cualquier casco urbano mediante el desarrollo de la metodología propuesta y la validación de los resultados obtenidos con un ejemplo con-creto, que se describe de forma pormenorizada en el presente trabajo.
La redacción y aplicación de este estudio se deriva de la necesidad de conocer a priori los valores lumínicos existen-tes en los alumbrados públicos municipales para tener los datos de partida en la toma de decisiones posteriores, de cara a mejorar la eficiencia del alumbrado así como el cumplimiento de la normativa que le es de aplicación. Se hace imprescindible por tanto, conocer cuál es el estado de partida antes de tomar las decisiones adecuadas y conocer en qué puntos exactos del casco urbano de un municipio el alumbrado es inadecuado, bien por bajos niveles de ilumi-nación o por el contrario, derivado de un exceso de iluminación, así, con esta metodología sabremos con certeza qué medidas tomar y donde actuar, pudiendo calcular los posibles ahorros que conseguiremos.
A modo de resumen se puede establecer que el objetivo que pretende conseguir el actual trabajo es establecer una metodología que se pueda emplear como herramienta para conseguir los siguientes puntos:
• Realizar mapas lumínicos de pequeños o grandes núcleos.
• Obtener información fiable para la toma de decisiones sobre alumbrados públicos desde el conocimiento sobre qué zonas tienen niveles de iluminación correctos en función de la clasificación de vías.
• Conocer los índices de eficiencia energética del alumbrado público calle a calle y en la totalidad de un casco urbano.
• Disminuir costes de consumo
• Mejorar el mantenimiento
• Crear un Sistema de Información Geográfica con toda la información sobre el alumbrado público
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2. INTRODUCCIÓN
En la actualidad existen numerosos estudios que tratan de dar solución al análisis, tanto de la contaminación lumínica como de la eficiencia en el alumbrado público de las ciudades [1], [2], [3] tratando de resolver la compleji-dad que supone realizar mediciones del alumbrado público de las ciudades desde tierra, ya que para cumplir con la normativa internacional correspondiente [4] sería necesario realizar multitud de mediciones, por lo que para el caso de una ciudad de tamaño medio o grande, resulta prácticamente inviable un estudio exhaustivo de los alumbrados públicos desde el punto de vista de la eficiencia energética.
En este sentido, algunos estudios [5] ya proponen la utilización de cámaras con tecnología CCD para determinar la luminancia del cielo, aunque en este caso las fotografías son tomadas desde tierra y por otra parte otros autores [2] proponen utilizar medios aéreos para transportar las cámaras fotográficas, aunque su objetivo principal, es el es-tudio de la contaminación lumínica del cielo de Berlín, analizando el brillo obtenido en las fotografías tomadas, no la eficiencia energética ni la determinación de los niveles lumínicos en cada calle.
También se pueden encontrar estudios en que se comparan distintas tecnologías en los equipos eléctricos y se propone la utilización de tecnología LED frente a los equipos tradicionales de Vapor de Mercurio o Vapor de sodio. O la mejora de los sistemas de control y de la arquitectura de configuración de los alumbrados públicos para conseguir una mejora en la eficiencia energética [6], [7] así como la utilización de algoritmos para la optimización del alumbrado público [8].
Por otra parte, la utilización de Sistemas de Información Geográfica (SIG) en estudios territoriales están amplia-mente extendidos, y en esta última década su integración con otro tipo de análisis es bastante común, dadas las ventajas que aporta al permitir el estudio de amplios territorios y su representación espacial, y por tanto facilitan el análisis de los datos obtenidos y la toma de decisiones [9], [10], [11], [12].
Este trabajo en el que se desarrolla una metodología para la realización de mapas lumínicos municipales, tienen como misión el facilitar a los municipios el conocimiento exacto del estado actual de sus instalaciones de alumbrado público, desde el punto de vista de la eficiencia energética.
En el presente estudio se integra, por una parte, la utilización de medios aéreos para la obtención de fotografías digitales y su posterior análisis, y por otra parte, la utilización de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) para el tratamiento a nivel del territorio de los datos obtenidos y su representación geográfica.
En la actualidad, en España, la realización de un estudio de eficiencia energética de las ciudades en cumplimien-to de la legislación en vigor [13] supone la necesidad de realizar innumerables mediciones de valores de luminancia o iluminancia para posteriormente trasladar dichos valores a un plano, además, a cada medida se debe asociar un valor que identifique sus coordenadas, o sea, debe estar georreferenciada, con lo cual la toma de datos se hace mu-cho más complicada, no tanto por la complejidad de la metodología para obtener estos datos, sino más bien porque debido al número de luminarias que pueden componer una instalación de alumbrado público de una ciudad (en el caso de Granada que tiene un tamaño medio, el número de luminarias es superior a 50.000) y a la metodología pro-puesta por la legislación nacional [13] e internacional [4] necesitaríamos una cantidad ingente de mediciones que haría muy complicada su elaboración.
Además de lo anteriormente expuesto, existe a día de hoy una creciente preocupación por conseguir la mayor eficiencia y ahorro energético posible debido a que el sistema de consumo energético actual es insostenible. Por ello
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se han realizado diversos estudios desde instituciones gubernamentales en los que se estima que la renovación de los sistemas de alumbrado público municipal por otros más eficientes supondría un potencial ahorro medio del 35 % para los municipios de más de 25.000 habitantes, siendo este ahorro de un 40% para los municipios de menos de 200 habitantes [14].
A la vista de todo lo anterior, es obvio que las administraciones necesitan conocer con exactitud el estado actual de sus instalaciones de alumbrado exterior, dado que económicamente hablando les es vital, y por otra parte, es ne-cesario conocer su estado de cumplimiento con respecto a la normativa, dado que no existen en la actualidad herra-mientas a disposición de las administraciones para poder realizar mapas lumínicos en donde se recojan los valores reales de eficiencia existentes para poder tomar decisiones en la aplicación de las medidas correctoras pertinentes.
Se pretende con el presente trabajo cubrir estas necesidades para obtener datos lumínicos de forma masiva, que nos permita determinar los valores de luminancia e iluminancia y su distribución espacial para cada vial, así como su calificación energética, cumpliendo con una serie de objetivos generales:
• Conocerlosíndiceseficienciaenergéticadelalumbradopúblicocalleacalleyenlatotalidaddeuncascourbano.
• Obtenerunaherramientaparalatomadedecisionesenlamejoradelaeficienciaenergéticadelosalum-brados públicos.
• CrearunSistemadeInformaciónGeográficacontodalainformaciónsobreelalumbradopúblico.
2.1. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO
El cumplimiento de la normativa internacional [4] de iluminación que determina los niveles de luminancia e iluminancia en las calles de las ciudades así como en las carreteras para asegurar unas condiciones de seguridad, tanto para los peatones como para el tráfico de vehículos, con unos niveles adecuados de iluminación que sean ade-cuados y con un consumo de energía respetuoso con el medio ambiente, generan la necesidad de compaginar ambos factores, y por tanto diseñar las instalaciones de alumbrado público de las ciudades y de las carreteras teniendo en cuenta ambos factores, por ello resulta imprescindible un estudio pormenorizado de la iluminación.
Debido a que normalmente las instalaciones están compuestas de numerosos puntos de luz, hace que las me-diciones con equipos manuales como luminancimetros y luxómetros realizados sobre el terreno por técnicos se convierta en un trabajo tedioso y caro. Por este motivo se hace necesario disponer de métodos más o menos automa-tizados y que se puedan la toma de datos realizar a gran escala, así algunos autores [15] ya proponen metodologías para medir la luminancia de las carreteras mediante tecnología CCD incorporados a un vehículo móvil.
En el caso concreto de nuestro estudio, se propone el desarrollo de un modelo exportable, y aplicable no solo a la legislación nacional [13] sino también y con las adaptaciones previas a los requerimientos particulares de cada país, sin embargo nos centraremos en la legislación que nos afecta en España [13] y que regula los requerimientos de eficiencia energética en el alumbrado público.
Por otra parte, en el Consejo de Ministros de España en fecha 4 de Marzo de 2011 [16] se adoptaron diversas medidas para el ahorro energético en España, entre ellas se adoptó la medida para la Renovación del sistema de alumbrado público municipal. Con tres líneas de acción, a poner en marcha por los Ayuntamientos:
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• Ellanzamientode19proyectosintegrales(unoporcadacomunidadautónomamáslasdosciudadesautó-nomas) para grandes ciudades a través del modelo de Empresas de Servicios Energéticos.
• Serenovaránlaslámparasdevapordesodioportecnologíasdealtaeficienciaenlosmunicipiosconmenosde 200 habitantes (unos 2.200 municipios).
• Seexigiráelcumplimientodelanormativa[13]sobrealumbradopúblicoeficienteparatodoslosmunicipiosde más 25.000 habitantes (295 municipios) en un plazo máximo de 5 años.
Es obvio, que previo a realizar inversiones de los alumbrados públicos sería necesario conocer el estado actual, para tener una referencia de partida y poder comparar con los resultados obtenidos una vez realizados los cambios, con la metodología propuesta en el presente estudio esto sería posible.
3. DESARROLLO DEL PROYECTO. METODOLOGÍA
La metodología que se describe en el actual trabajo consta de tres fases perfectamente diferenciadas, a saber:
• FASE1.-Adquisiciónygeorreferenciacióndefotografíasaéreasdelaszonaspropuestasenelmunicipioenestudio y toma de datos en campo de las instalaciones existentes.
• FASE2.-TratamientodeimágenesytratamientodedatosmedianteSistemasdeInformaciónGeográfica.
• FASE3.-Procesadodeinformación,obtenciónderesultados,elaboracióndelosmapasycálculodelaCalifi-cación Energética.
Ilustración 1: Esquematización de la metodología
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4. ELABORACIÓN DEL MAPA LUMÍNICO
4.1. VALORES LUMINICOS OBTENIDOS
En esta fase los valores que obtenemos son los correspondientes a la luminancia de cada pixel, estos valores deben ser exportados a un software de tratamiento de información geográfica que nos permita el estudio espacial de datos, por lo que se han utilizado SIG para el tratamiento de los valores obtenidos previamente y la aplicación de los correspondientes algoritmos que nos permitan obtener el resto de parámetros que deseamos, como luminancia e iluminancia media y mínima.
A partir de estos parámetros podremos obtener los valores de uniformidad, así como la clasificación energética de cada calle y del conjunto, para ello y tal como se describe en los siguientes apartados aplicaremos las definiciones dadas, tanto por la bibliografía existente de luminotecnia como la definida en el RD 1890/2008 de 14 de noviembre.
Sin embargo, como paso previo, se deberá alimentar el SIG con los datos tomados en campo, como son la ubi-cación de luminarias y la potencia eléctrica de cada una de las calles. Además de la geometría de la zona de estudio.
Estos valores son necesarios para obtener posteriormente la calificación energética de cada calle.
Una vez introducida toda la información tomada en campo y los valores de luminancia obtenidos previamente, el resto del desarrollo para el modelo ha consistido en definir los algoritmos y la metodología de trabajo y el sistema de exportación de la información a software grafico.
En los siguientes apartados se exponen los resultados obtenidos.
4.1.1. Luminancia
La luminancia se define como la intensidad luminosa por unidad de superficie reflejada por la misma superficie en la dirección del ojo del observador. Su símbolo es L y su unidad la candela entre metro cuadrado (cd/m2).
Si la fuente luminosa no es puntiforme debemos considerarla en el ámbito de una determinada dimensión, por consiguiente la definición que había sido dada de intensidad luminosa no se puede seguir aplicando. De esta forma, será necesario introducir un nuevo concepto que evalúe la cantidad de energía luminosa emitida por estas superfi-cies, ya sea una fuente de luz propia o una luz reflejada.
El valor fotométrico introducido de esta manera es la luminancia que se define como la relación entre la inten-sidad luminosa de la fuente en la dirección de un observador y la superficie emisora así como la ve el mismo obser-vador (o superficie aparente). Las unidades de medida utilizadas son la cd/m2 y el lm/sr×m2 (nit), siendo la relación fundamental dada por:
donde:
L: luminancia en candelas por metro cuadrado (cd/m2)
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I α: intensidad luminosa en candelas en la dirección
A: área de la fuente en metros cuadrados (m2)
cos α: ángulo comprendido entre el ojo del observador y la recta normal a la fuente.
Los valores de luminancia media viene reflejados en la Instrucción Técnica Complementaria EA-02 Niveles de Iluminación del Real Decreto 1890/2008 [13].
Siguiendo el procedimiento de análisis de imágenes que se describe en la presente memoria justificativa, a con-tinuación se muestra imagen obtenida del casco urbano en estudio con los valores de luminancia de cada uno de los pixeles en resolución de 50 cm.
Mapa 1: Valores de Luminancia por pixel (Elaborado con SIG)
4.1.2. Iluminancia
La iluminancia horizontal en un punto de una superficie se define como el cociente entre el flujo luminoso incidente sobre un elemento de la superficie y el área de ese elemento. Su símbolo es E y la unidad el lux (lm/m2).
También se puede definir según la siguiente expresión que correlaciona luminancia con iluminancia:
donde:
L: luminancia en candelas por metro cuadrado (cd/m2)
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E: Iluminancia en Lux
ρ: grado de reflexión de una superficie, según los valores de la siguiente tabla
Tabla 1 Grados de reflexión de superficies ( J.Romero, C.Quintana ULPGC Dpto. Ingeniería Eléctrica)
La iluminancia media (valor medio de la iluminancia horizontal en la superficie considerada) es uno de los pará-metros fundamentales para el cálculo de la eficiencia energética de la instalación y su posterior calificación energé-tica. A continuación se muestran los valores de iluminancia por pixel.
Mapa 2: Valores de Iluminancia por pixel(Elaborado con SIG)
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4.1.3. Uniformidad global
La uniformidad global de luminancias se define como la relación entre la luminancia mínima y la media de la superficie de la calzada. Su símbolo es U0 y carece de unidades.
Los valores de uniformidad global vienen reflejados en la Instrucción Técnica Complementaria EA-02 Niveles de Iluminación del Real Decreto 1890/2008 [13]. A continuación se muestran los resultados de uniformidad obtenidos en las calles objeto de estudio con respecto a su cumplimiento a los niveles establecidos en el Real Decreto.
Mapa 3: Valores de Uniformidad Global por vial (Elaborado con SIG)
Mapa 4: Valores de Uniformidad Global según cumplimiento del RD 1890/2008 (Elaborado con SIG)
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4.2. CALIFICACIÓN ENERGÉTICA
Las instalaciones de alumbrado exterior se calificarán en función de su índice de eficiencia energética, mediante una etiqueta identificativa según se especifica en la ITC-EA-01 del Real Decreto 1890/2008 [13].
En primer lugar se define la eficiencia energética de una instalación exterior como la relación entre el producto de la superficie iluminada por la iluminancia media en servicio de la instalación entre la potencia activa total instalada.
Siendo:
ε = eficiencia energética de la instalación de alumbrado exterior (m2•lux/W)
P=potenciaactivatotalinstalada(lámparasyequiposauxiliares)(W)
S = superficie iluminada (m2)
Em = iluminancia media en servicio de la instalación, considerando el mantenimiento previsto (lux)
Posteriormente se establecen para las vías funcionales los requisitos mínimos de eficiencia energética en función de la iluminancia media en servicio.
Ilustración 2: Tabla 1 del RD Requisitos mínimos de eficiencia energética en instalaciones de alumbrado vial funcional
Por último se establecen los valores para la calificación de los viales a partir del índice del consumo energético y el índice de eficiencia energética.
Ilustración 3: Tabla 4 RD Calificación energética de una instalación de alumbrado
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El índice de eficiencia energética (Iε) se define como el cociente entre la eficiencia energética de la instalación (ε) y el valor de eficiencia energética de referencia εR en función del nivel de iluminancia media en servicio proyectada, que se indica en la tabla 3 del citado Real Decreto 1890/2008 [13].
Ilustración 4: Tabla 3 RD Valores de eficiencia energética de referencia
A continuación se muestra la Calificación Energética de las calles objeto de estudio siguiendo la metodología de cálculo anteriormente descrita.
Mapa 5: Calificación Energética de los viales (Elaborado con SIG)
Por último se muestra la Calificación Energética de cada uno de los viales en donde se puede apreciar de fondo la ortofoto del municipio de Maracena, para así poder observar de manera más visual los resultados obtenidos.
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Mapa 6: Calificación Energética de los viales con ortofoto del municipio de Maracena de fondo (Elaborado con SIG)
5. CONCLUSIONES
Tal como ha quedado expuesto en el presente documento, con la metodología desarrollada en el presente estudio se han conseguido varios objetivos.
En primer lugar se ha definido un sistema de toma de datos masivos mediante fotografía aérea y demostrado que es posible llevarla a cabo tanto sobre núcleos pequeños como de gran tamaño al utilizar para ello herramientas profesionales como son aeronaves tripuladas equipadas con cámaras CCD de gran tamaño.
En segundo lugar, se ha definido una metodología con software de tratamiento de imágenes y de SIG que nos permitirán en un futuro mecanizar los tratamientos de imágenes y estudiar zonas urbanas de tamaño medio-grande en tiempos reducidos en comparación con las metodologías que en estos momentos se están aplicando y que con-sisten básicamente en vehículos equipados con sensores y sistemas de posicionamiento. Además queda demostrado que nuestro método resulta científicamente más exacto, dado que se han utilizado fotografías con resolución de 50 cm de pixel, (aunque las fotos originales llegaban incluso a los 4,5 cm de resolución), y por tanto, los valores lumínicos que se han obtenido corresponden a cuadriculas de 0,5x0,5 m, muy superior al exigido en la actualidad por la legisla-ción vigente para la realización de estudios lumínicos.
Por otra parte el método desarrollado es más rápido de ejecutar que los existentes, y por tanto con un coste eco-nómico menor para un potencial cliente.
Se resuelve un problema actual en el estudio lumínico de las ciudades y en la aplicación de legislación tanto nacional como internacional a los alumbrados públicos.
A pesar de que los objetivos perseguidos en el estudio se han conseguido, que eran definir un método para la
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realización de mapas lumínicos de ciudades mediante la utilización de fotografías aéreas, queda no obstante sin re-solver la adquisición de datos de inventariado de instalaciones, cuadros y luminarias que será necesario realizarlas en campo, tal y como se ha realizado en el presente trabajo.
6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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