Construir un Digital Twin de los bosques de Quebec a partir de 115 000 ortofotos

El cimiento antes que todo lo demas

Un Digital Twin territorial vive o muere por sus datos. Fusionar miles de mosaicos de ortofotos heterogeneas, absorber sistemas de referencia de coordenadas incompatibles, rellenar los huecos de cobertura, armonizar los colores entre sensores y epocas. Es el trabajo menos visible, pero el mas importante a nivel estructural. Hasta que este cimiento no sea solido, nada de lo que viene despues (renderizado 3D, navegacion multiescala, analisis territorial) se sostiene.

Esta publicacion es un informe de avance sobre esa fase, aplicada al territorio de Quebec.

Donde estamos hoy

El pipeline de TerraLab: una sola escena, todas las fuentes

TerraLab-Twin es un virtual globe planetario. Su funcion es fusionar en tiempo real fuentes geoespaciales heterogeneas (ortofotos publicas, ortofotos de dron de alta resolucion, modelos digitales de terreno, capas vectoriales, imagenes de satelite) sobre un unico terreno 3D navegable, desde la escala planetaria hasta el nivel de parcela.

Tres propiedades definen el estado del arte que buscamos:

• Continuidad de escala: desde todo Quebec (10 000 km de diagonal) hasta una parcela de 50 m, sin rupturas, sin cambios de CRS y sin costuras en las fronteras administrativas.
• Fusion multifuente dinamica: multiples fuentes de calidad y resolucion variables coexisten sobre el mismo terreno y se seleccionan sobre la marcha segun la zona, la resolucion solicitada y la disponibilidad de datos.
• Abstraccion completa aguas arriba: el usuario final nunca ve un formato de archivo, un codigo EPSG ni una zona MTM. Solo navega.

Todo el trabajo descrito a continuacion consiste en cumplir estas tres propiedades en un caso concreto: el territorio de Quebec.

Mosaicos del MRNF fusionados por TerraLab WorldMapServer. Terreno continuo, sin costuras visibles entre las hojas originales.

Que hace unicos a los datos de Quebec

Quebec ofrece uno de los conjuntos de datos publicos mas ricos de America del Norte para este tipo de trabajo. El Ministerio de Recursos Naturales y Bosques de Quebec (MRNF, antes MERN) publica mas de 115 000 mosaicos de ortofotos, varios cientos de gigabytes de datos en total, a una resolucion nativa de 20 a 30 cm por pixel. Eso es aproximadamente treinta veces mas fino que las imagenes de satelite Sentinel-2 usadas como complemento.

Ortofoto del MRNF a resolucion nativa de 20-30 cm sobre un sector forestal de Quebec.

Esta riqueza viene con sus propios desafios: una familia heterogenea de proyecciones cartograficas, multiples formatos de archivo, imagenes capturadas a lo largo de varios anos y estaciones. Este es precisamente el tipo de conjunto de datos para el que esta concebido un virtual globe, ahi donde una herramienta GIS tradicional le pediria al usuario elegir una proyeccion, una estacion, un formato, y vivir con las consecuencias.

Y sabemos manejar esta escala. Los 115 000 mosaicos, los cientos de gigabytes, los formatos mixtos, los datos de multiples epocas: la arquitectura de TerraLab-Twin esta disenada para absorber este volumen de forma nativa, en una estacion de trabajo de desarrollador, sin requerir ninguna infraestructura especial.

Mosaico original del MRNF a 20 cm. Arboles, carreteras y parcelas claramente visibles antes de cualquier procesamiento.

La parte dolorosa: las proyecciones cartograficas

Quiero detenerme en este punto, porque para cualquiera que haya trabajado en geoespacial, esto es una pesadilla operativa.

Los datos publicos de Quebec no llegan en una sola proyeccion. Llegan como una familia de variantes NAD83: una version de Quebec Lambert (EPSG:32198), variantes mas modernas basadas en CSRS, y diez zonas MTM (Modified Transverse Mercator) que dividen el territorio por razones cartograficas historicas. En la practica, cada mosaico puede llegar en un sistema de referencia de coordenadas distinto. Cada datum tiene sus trampas. Cada herramienta de la cadena geoespacial tiene su propio comportamiento heredado en torno a la libreria PROJ. Es extremadamente comun en produccion ver un pipeline fallar en silencio porque una instalacion obsoleta devuelve transformaciones erradas por diez metros o mas.

Esto es precisamente lo que un virtual globe abstrae. TerraLab-Twin solo conoce una proyeccion final: WGS84 sobre el elipsoide planetario. Toda la complejidad proyectiva se absorbe aguas arriba, en el pipeline de ingesta. El usuario final nunca ve un codigo EPSG. Ve un territorio 3D continuo y navegable, desde todo Quebec hasta una sola parcela forestal, sin que nada se rompa en las fronteras de zona.

Una vez resuelto este problema dificil, todo lo demas se vuelve posible: fusion multifuente, navegacion continua, 3D en tiempo real.

Herramienta interna de teselado: cada fuente se reproyecta a WGS84 y luego se compone en la escena 3D.

Por que WGS84 en un virtual globe, y por que importa

La eleccion de WGS84 sobre el elipsoide no es arbitraria. Una proyeccion cartografica clasica es, por construccion, un compromiso: aplana un objeto 3D (el elipsoide terrestre) sobre un plano 2D, lo que siempre introduce distorsion (en angulos, areas, distancias, o las tres a la vez). Aceptable a pequena escala, intolerable a escala continental.

Un virtual globe esquiva el problema manteniendo todo en 3D de principio a fin. El motor trabaja sobre el elipsoide real, no sobre una proyeccion plana. La consecuencia directa para el usuario: puedes hacer zoom libremente desde todo Quebec hasta una parcela de 50 m, sin cambiar de CRS, sin costuras en las fronteras de zonas MTM, sin estiramiento polar, sin artefactos de alineacion en los bordes. Esto es lo que hace que la navegacion sea continua, y es algo que ninguna herramienta GIS 2D tradicional puede ofrecer.

Calibracion de color y fusion: el desafio visual

Una vez gestionadas las proyecciones, el siguiente desafio es visual. Un Digital Twin 3D de Quebec no fusiona una, sino tres fuentes de imagenes complementarias:

1. Ortofoto aerea del MRNF: prioridad 1, 20-30 cm, la capa de detalle
2. Imagenes de satelite Sentinel-2: prioridad 2, 10 m, rellena las zonas sin cobertura aerea (tipicamente las regiones costeras)
3. Mapa base planetario Blue Marble: ultimo recurso, garantiza que ninguna zona quede nunca vacia

Cada una de estas tres fuentes tiene su propia firma colorimetrica: sensores distintos, condiciones de adquisicion distintas, fechas de captura distintas, procesamiento previo distinto. El desafio no es solo mostrarlas juntas, sino asegurar que las fronteras permanezcan invisibles al ojo y que los mosaicos vecinos compartan el mismo rango de color.

Algunos mosaicos del MRNF tambien estan incompletos: en los bordes de las campanas de vuelo, la cobertura aerea se detiene en mitad de un mosaico, dejando zonas sin datos (nodata). Sin procesamiento, estos huecos aparecen como bandas negras en el terreno 3D. Esta es otra razon por la que el pipeline debe fusionar multiples fuentes: rellenar estos huecos con Sentinel-2 donde la ortofoto aerea no llega.

Mosaico del MRNF con cobertura parcial. El pipeline rellena los huecos con Sentinel-2 de forma automatica.

Del lado de Sentinel-2, componemos usando una mediana multifecha sobre un rango de reflectancia fijo: esto elimina los valores atipicos (nubes, sombras, dias atipicos) y garantiza que todos los mosaicos compartan la misma calibracion.

Del lado de Quebec, algunas campanas de vuelo mas antiguas (en particular 2015) presentan un tinte azul sistematico. El origen exacto del defecto no esta documentado por el proveedor de datos, pero la relacion azul/rojo anormalmente alta (B/R ~1.30 frente a ~0.88 en las campanas normales) afecta a una gran parte de los mosaicos de ese ano. El pipeline filtra por estacion (adquisiciones de verano para tonos verdes coherentes), pero el problema persiste en las zonas donde solo existen mosaicos de 2015.

Varios enfoques son posibles para estas zonas: correccion automatica de color (histogram matching entre mosaicos vecinos), o reemplazo por imagenes de satelite (Sentinel-2 como primer recurso, gratuito a 10 m, o fuentes comerciales como Airbus Pleiades y Maxar para una resolucion mas fina, pero con un costo significativo). Ninguna de estas opciones es ideal por si sola. La combinacion mas probable es el filtrado por epoca acoplado a un fallback de Sentinel-2 para las zonas sin alternativa. Por el lado positivo, el MRNF sigue publicando nuevas campanas aereas con regularidad (las ortofotos de 2023 y 2024 ya estan disponibles como datos abiertos para ciertas regiones). Con el tiempo, las zonas cubiertas unicamente por mosaicos defectuosos de 2015 tienen buenas probabilidades de ser reemplazadas por adquisiciones mas recientes y mejor calibradas.

Arriba: mosaico del MRNF 2015 con tinte azul (B/R ~1.30). Abajo: 2016 con color normal (B/R ~0.88).

Mosaicos de 2015 con tinte azul junto a otros calibrados normalmente: mosaico visible que rompe la homogeneidad del terreno.

En la frontera entre las fuentes de Quebec y Sentinel-2, la transicion geometrica es imperceptible. La transicion colorimetrica, sin embargo, sigue siendo visible en algunas zonas costeras. Es un compromiso deliberado: un blending a nivel de pixel a lo largo de cientos de kilometros de costa representaria un costo de procesamiento desproporcionado en relacion con la ganancia visual, sobre todo a las escalas de navegacion tipicas del Digital Twin. El pipeline prioriza la cobertura y la continuidad por encima de la perfeccion cosmetica en los margenes.

Arriba: Sentinel-2 solo. Abajo: composicion Quebec + Sentinel-2. Zona de blending visible a lo largo del litoral.

El pipeline incluye un paso de color matching que suaviza estas transiciones. El ejemplo de abajo, de la zona de Riviere-du-Loup, muestra la diferencia: sin color matching, la frontera entre la ortofoto de Quebec y Sentinel-2 es claramente visible. Con color matching, la transicion se vuelve mucho mas sutil.

Riviere-du-Loup. Arriba: sin color matching. Abajo: con color matching.

Peninsula de Gaspe, vista amplia. Zona cian (izquierda) = mosaicos de 2015 con tinte azul, continente = ortofoto de Quebec, oceano = Sentinel-2.

Donde estamos

A 7 de abril de 2026, vamos por buen camino. La familia NAD83 se absorbe aguas arriba, y el pipeline de ingesta procesa progresivamente los ~115 000 mosaicos del MRNF. La cobertura del territorio es parcial en esta etapa: las zonas ya procesadas (por ejemplo la peninsula de Gaspe) son navegables con la ortofoto de Quebec, mientras que otras zonas se rellenan con Sentinel-2 mientras tanto. La composicion de tres capas se ha validado en la costa de Gaspe, y el volumen de datos corre comodamente en una estacion de trabajo de desarrollador estandar.

El motor produce actualmente a 10 m por pixel. Es una eleccion deliberada para esta primera iteracion: trabajar primero a escala global nos permite validar todo el pipeline (proyecciones, fusion, calibracion de color, volumen de datos) antes de aumentar la resolucion zona por zona. Los datos fuente del MRNF a 20-30 cm estan ahi. El refinamiento hasta los 30 cm ocurrira caso por caso, segun la necesidad.

Del lado de la elevacion, el terreno 3D se apoya en un Modelo Digital de Elevacion SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). No es la fuente mas fina disponible, pero cubre todo el territorio y nos permite validar la cadena completa. Un cambio a modelos digitales de terreno de Quebec mas precisos es factible para las zonas prioritarias.

Aqui esta el resultado actual: la ortofoto de Quebec a 10 m drapeada sobre el relieve SRTM, sin vegetacion 3D ni datos vectoriales. Este es el cimiento de terreno bruto sobre el que se construira todo lo demas.

Primeras vistas 3D de Quebec. Ortofoto 10 m + relieve SRTM. De arriba a abajo: dispersion atmosferica, iluminacion directa, sin iluminacion.

Una conclusion importante: la calidad del renderizado no puede superar la calidad de los datos fuente. Donde los datos del MRNF estan limpios y bien calibrados (campanas posteriores a 2015), el resultado es excelente. Donde sufren defectos (campanas de 2015 con tinte azul), el pipeline no puede inventar una calibracion de color correcta.

Lo que esta activo hoy:

• Ortofoto aerea de Quebec (MRNF) fusionada con Sentinel-2
• Relieve 3D mediante SRTM
• Pipeline completo validado en la costa de Gaspe

Lo que viene a continuacion:

• Resolucion de 20-30 cm en zoom cercano
• Datos vectoriales OSM de Quebec
• Arboles 3D en todo el territorio de Quebec