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Modelo digital de elevación

Representación 3D de un modelo digital de elevación (MDE) de Tithonium Chasma en Marte. Un modelo digital de elevación ( MDE ) o modelo digital de superficie ( MDS ) es una repr...

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Representación 3D de un modelo digital de elevación (MDE) de Tithonium Chasma en Marte.

Un modelo digital de elevación ( MDE ) o modelo digital de superficie ( MDS ) es una representación gráfica tridimensional por ordenador de datos de elevación que representa el terreno o la superposición de objetos, generalmente de un planeta , una luna o un asteroide . Un «MDE global» se refiere a una cuadrícula global discreta . Los MDE se utilizan con frecuencia en sistemas de información geográfica (SIG) y son la base más común para los mapas de relieve generados digitalmente . Un modelo digital de terreno ( MDT ) representa específicamente la superficie del suelo, mientras que el MDE y el MDS pueden representar la cubierta arbórea o los tejados de los edificios .

Si bien un DSM puede ser útil para el modelado de paisajes , el modelado de ciudades y las aplicaciones de visualización, un DTM a menudo es necesario para el modelado de inundaciones o drenaje, estudios de uso de la tierra , [ 1 ] aplicaciones geológicas, [ 2 ] y otras aplicaciones, [ 3 ] y en ciencias planetarias .

Terminología

Las superficies representadas por un modelo digital de superficie incluyen edificios y otros objetos. Los modelos digitales de terreno representan el suelo desnudo.

No existe un uso universal de los términos modelo digital de elevación (MDE), modelo digital de terreno (MDT) y modelo digital de superficie (MDS) en la literatura científica. En la mayoría de los casos, el término modelo digital de superficie representa la superficie terrestre e incluye todos los objetos que hay sobre ella. A diferencia de un MDS, el modelo digital de terreno (MDT) representa la superficie del suelo desnudo sin objetos como plantas o edificios (véase la figura de la derecha). [ 4 ] [ 5 ]

DEM se usa a menudo como término genérico para DSM y DTM, [ 6 ] representando únicamente información de altura sin ninguna definición adicional sobre la superficie. [ 7 ] Otras definiciones equiparan los términos DEM y DTM, [ 8 ] equiparan los términos DEM y DSM, [ 9 ] definen el DEM como un subconjunto del DTM, que también representa otros elementos morfológicos, [ 10 ] o definen un DEM como una cuadrícula rectangular y un DTM como un modelo tridimensional ( TIN ). [ 11 ] La mayoría de los proveedores de datos ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) usan el término DEM como término genérico para DSM y DTM. Algunos conjuntos de datos como SRTM o ASTER GDEM son originalmente DSM, aunque en áreas boscosas, SRTM llega hasta el dosel arbóreo, proporcionando lecturas que se encuentran entre un DSM y un DTM. Los MDT se crean a partir de conjuntos de datos MDS de alta resolución utilizando algoritmos complejos para filtrar edificios y otros objetos, un proceso conocido como "extracción de terreno desnudo". [ 5 ] [ 12 ] En lo sucesivo, el término DEM se utiliza como término genérico para MDS y MDT.

Tipos

Mapa de alturas de la superficie terrestre (incluyendo agua y hielo), representado como una proyección equirrectangular con elevaciones indicadas en escala de grises normalizada de 8 bits, donde los valores más claros indican mayor elevación.

Un DEM puede representarse como un ráster (una cuadrícula de cuadrados, también conocida como mapa de alturas cuando representa la elevación) o como una red triangular irregular basada en vectores (TIN). [ 13 ] El conjunto de datos DEM TIN también se denomina DEM primario (medido), mientras que el DEM ráster se denomina DEM secundario (calculado). [ 14 ] El DEM puede adquirirse mediante técnicas como fotogrametría , lidar , IfSAR o InSAR , levantamiento topográfico , etc. (Li et al. 2005).

Los modelos digitales de elevación (MDE) se suelen construir utilizando datos recopilados mediante técnicas de teledetección, pero también pueden construirse a partir de levantamientos topográficos.

Representación

Mapa topográfico de Sierra Nevada, España, que muestra el uso de sombreado y falso color como herramientas de visualización para indicar la altitud.

El modelo digital de elevación (MDE) consiste en una matriz de números, pero los datos de un MDE suelen representarse visualmente para que sean comprensibles para los humanos. Esta visualización puede ser un mapa topográfico con curvas de nivel o utilizar sombreado y asignación de colores falsos (o "pseudocolor") para representar las elevaciones mediante colores (por ejemplo, verde para las elevaciones más bajas, sombreado hasta rojo y blanco para las más altas).

Las visualizaciones a veces también se realizan como vistas oblicuas, reconstruyendo una imagen visual sintética del terreno tal como se vería desde un ángulo. En estas visualizaciones oblicuas, las elevaciones a veces se escalan usando " exageración vertical " para hacer más perceptibles las sutiles diferencias de elevación. [ 15 ] Algunos científicos, [ 16 ] [ 17 ] sin embargo, se oponen a la exageración vertical porque engañan al espectador sobre el paisaje real.

Producción

Los cartógrafos pueden elaborar modelos digitales de elevación de diversas maneras, pero con frecuencia utilizan datos de teledetección en lugar de datos de levantamientos topográficos directos .

Los métodos más antiguos para generar modelos digitales de elevación (MDE) suelen implicar la interpolación de mapas de curvas de nivel digitales, que pueden haberse obtenido mediante levantamientos topográficos directos. Este método aún se utiliza en zonas montañosas , donde la interferometría no siempre resulta satisfactoria. Cabe destacar que los datos de curvas de nivel o cualquier otro conjunto de datos de elevación muestreados (mediante GPS o levantamientos topográficos) no son MDE, sino modelos digitales de terreno. Un MDE implica que la elevación está disponible de forma continua en cada ubicación del área de estudio.

Cartografía satelital

Una técnica poderosa para generar modelos digitales de elevación es el radar de apertura sintética interferométrica, donde dos pasadas de un satélite radar (como RADARSAT-1 , TerraSAR-X o Cosmo SkyMed ), o una sola pasada si el satélite está equipado con dos antenas (como la instrumentación SRTM ), recopilan datos suficientes para generar un mapa digital de elevación de decenas de kilómetros de lado con una resolución de alrededor de diez metros. [ 18 ] Se pueden emplear otros tipos de pares estereoscópicos utilizando el método de correlación de imágenes digitales , donde se adquieren dos imágenes ópticas con diferentes ángulos tomadas desde la misma pasada de un avión o un satélite de observación de la Tierra (como el instrumento HRS de SPOT5 o la banda VNIR de ASTER ). [ 19 ]

El satélite SPOT 1 (1986) proporcionó los primeros datos de elevación utilizables para una porción considerable de la masa terrestre del planeta, utilizando correlación estereoscópica de dos pasadas. Posteriormente, el Satélite Europeo de Teledetección (ERS, 1991) proporcionó más datos utilizando el mismo método, la Misión Topográfica de Radar del Transbordador (SRTM, 2000) utilizando SAR de una sola pasada y la instrumentación del Radiómetro Avanzado de Emisión y Reflexión Térmica Espacial (ASTER, 2000) a bordo del satélite Terra utilizando pares estéreo de doble pasada. [ 19 ]

El instrumento HRS a bordo del satélite SPOT 5 ha adquirido más de 100 millones de kilómetros cuadrados de pares estéreo.

Cartografía planetaria

Modelo digital de elevación MOLA que muestra los dos hemisferios de Marte. Esta imagen apareció en la portada de la revista Science en mayo de 1999.

Una herramienta de creciente valor en la ciencia planetaria ha sido el uso de la altimetría orbital para crear mapas digitales de elevación de planetas. Una herramienta principal para esto es la altimetría láser, pero también se utiliza la altimetría radar. [ 20 ] Los mapas digitales de elevación planetaria creados con altimetría láser incluyen el mapeo de Marte por el altímetro láser orbital de Marte (MOLA), [ 21 ] el altímetro láser orbital lunar (LOLA) [ 22 ] y el altímetro lunar (LALT) de la Luna, y el mapeo de Mercurio por el altímetro láser de Mercurio (MLA). [ 23 ] En el mapeo planetario, cada cuerpo planetario tiene una superficie de referencia única. [ 24 ] El generador de imágenes de reconocimiento de largo alcance de New Horizons utilizó fotogrametría estereoscópica para producir mapas parciales de elevación de la superficie de Plutón y 486958 Arrokoth . [ 25 ] [ 26 ]

Métodos para obtener datos de elevación utilizados para crear modelos digitales de elevación (MDE).

Vehículo aéreo no tripulado Gatewing X100

Exactitud

La calidad de un modelo digital de elevación (MDE) es una medida de la precisión de la elevación en cada píxel (precisión absoluta) y de la precisión con la que se presenta la morfología (precisión relativa). La evaluación de la calidad de un MDE se puede realizar comparando MDE de diferentes fuentes. [ 29 ] Varios factores desempeñan un papel importante en la calidad de los productos derivados de MDE:

  • rugosidad del terreno ;
  • Densidad de muestreo (método de recopilación de datos de elevación);
  • resolución de la cuadrícula o tamaño del píxel ;
  • algoritmo de interpolación ;
  • resolución vertical;
  • algoritmo de análisis del terreno;
  • Los productos 3D de referencia incluyen máscaras de calidad que proporcionan información sobre la línea costera, el lago, la nieve, las nubes, la correlación, etc.

Usos

Modelo digital de elevación del anfiteatro Red Rocks, Colorado, obtenido mediante un UAV.
Modelo digital de superficie 3D del aeródromo de Bezmiechowa obtenido mediante un UAV Pteryx que volaba a 200  m sobre la cima de la colina.
Modelo digital de superficie de la zona de construcción del intercambiador de autopistas . Nótese que los túneles están cerrados.
Ejemplo de DEM volado con el Gatewing X100 en Assendez.
Generador de modelos de terreno digitales + Texturas (mapas) + Vectores

Entre los usos comunes de los DEM se incluyen:

Fuentes

Global

Lanzado a principios de 2022, FABDEM ofrece una simulación de la superficie terrestre sin vegetación con una resolución de 1 segundo de arco (aproximadamente 30 metros). Adaptado de GLO-30, el conjunto de datos elimina bosques y edificios. Los datos se pueden descargar gratuitamente para uso no comercial y, para uso comercial, a través del sitio web del desarrollador .

Existe un modelo digital de elevación (MDE) global alternativo y gratuito llamado GTOPO30 ( con una resolución de 30 segundos de arco , aproximadamente 1 km a lo largo del ecuador), pero su calidad es variable y en algunas áreas es muy deficiente. También está disponible gratuitamente un MDE de mucha mayor calidad, proveniente del instrumento ASTER (Radiómetro Avanzado de Emisión y Reflexión Térmica Espacial) del satélite Terra , que cubre el 99% del globo y representa la elevación con una resolución de 30 metros . Anteriormente, solo se disponía de una resolución similar para el territorio de Estados Unidos con los datos de la Misión Topográfica de Radar del Transbordador (SRTM), mientras que la mayor parte del resto del planeta solo estaba cubierta con una resolución de 3 segundos de arco (alrededor de 90 metros a lo largo del ecuador). SRTM no cubre las regiones polares y presenta áreas sin datos (vacíos) en zonas montañosas y desérticas. Los datos SRTM, al derivarse del radar, representan la elevación de la primera superficie reflejada, que suele ser la copa de los árboles. Por lo tanto, los datos no representan necesariamente la superficie del suelo, sino la parte superior de lo primero que detecta el radar.   

Los datos de elevación submarina (conocidos como batimetría ) se generan mediante sondeos de profundidad a bordo de buques . Al combinar la topografía terrestre y la batimetría, se obtiene un modelo de relieve verdaderamente global . El conjunto de datos SRTM30Plus (utilizado en NASA World Wind ) intenta combinar GTOPO30, SRTM y datos batimétricos para producir un modelo de elevación verdaderamente global. [ 32 ] El modelo global de topografía y relieve Earth2014 [ 33 ] proporciona cuadrículas topográficas estratificadas con una resolución de 1 minuto de arco. Además de SRTM30plus, Earth2014 proporciona información sobre las alturas de las capas de hielo y el lecho rocoso (es decir, la topografía bajo el hielo) sobre la Antártida y Groenlandia. Otro modelo global es Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) con una resolución de 7,5 segundos de arco. Se basa en datos SRTM y combina otros datos fuera de la cobertura SRTM. Se espera que la misión satelital TanDEM-X , que comenzó en julio de 2010, proporcione un nuevo modelo digital de elevación (MDE) global con puntos de referencia inferiores a 12  m y una precisión de altura inferior a 2 m. 

El espaciado de cuadrícula (ráster) más común oscila entre 50 y 500  metros. En gravimetría, por ejemplo, la cuadrícula principal puede ser de 50  m, pero se cambia a 100 o 500  metros a distancias de unos 5 o 10 kilómetros.

Desde 2002, el instrumento HRS en SPOT 5 ha adquirido más de 100 millones de kilómetros cuadrados de pares estéreo utilizados para producir un DEM en formato DTED2 (con un posicionamiento de 30 metros) formato DTED2 sobre más de 50 millones de km 2 . [ 34 ] El satélite radar RADARSAT-2 ha sido utilizado por MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. para proporcionar DEM a clientes comerciales y militares. [ 35 ]

En 2014, las adquisiciones de los satélites de radar TerraSAR-X y TanDEM-X estarán disponibles en forma de una cobertura global uniforme con una resolución de 12  metros. [ 36 ]

ALOS proporciona desde 2016 un DSM global de 1 segundo de arco de forma gratuita, [ 37 ] y un DSM/DTM comercial de 5 metros. [ 38 ]

Local

Muchas agencias cartográficas nacionales elaboran sus propios modelos digitales de elevación (MDE), a menudo con mayor resolución y calidad, pero con frecuencia estos deben adquirirse, y el costo suele ser prohibitivo para todos, excepto para las autoridades públicas y las grandes corporaciones. Los MDE suelen ser producto de programas nacionales de conjuntos de datos lidar .

También hay disponibles modelos digitales de elevación (MDE) gratuitos para Marte : el MEGDR, o Registro de Datos Cuadriculados del Experimento de la Misión, del instrumento MOLA (Altímetro Láser del Orbitador de Marte) de la sonda Mars Global Surveyor ; y el Modelo Digital de Terreno (MDT) de Marte de la NASA. [ 39 ]

sitios web

OpenTopography [ 40 ] es un recurso comunitario en línea para acceder a datos topográficos de alta resolución orientados a las ciencias de la Tierra (datos lidar y DEM), y herramientas de procesamiento que se ejecutan en sistemas de computación estándar y de alto rendimiento, junto con recursos educativos. [ 41 ] OpenTopography tiene su sede en el Centro de Supercomputación de San Diego [ 42 ] de la Universidad de California en San Diego y se opera en colaboración con colegas de la Escuela de Exploración Terrestre y Espacial de la Universidad Estatal de Arizona y UNAVCO. [ 43 ] El soporte operativo principal para OpenTopography proviene de la Fundación Nacional de Ciencias, División de Ciencias de la Tierra.

OpenDemSearcher es un cliente de mapas con una visualización de regiones con DEM de resolución media y alta disponibles gratuitamente. [ 44 ]

Modelo 3D STL de la Luna con una exageración de elevación de 10×, renderizado con datos del altímetro láser del orbitador lunar de reconocimiento lunar.

El lenguaje de programación R viene con la matriz volcánica de elevaciones. [ 45 ]

El conjunto de datos de volcanes del entorno de programación R se visualiza, reestructura, colorea y georreferencia.

Véase también

formatos de archivo DEM

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Mapa del terreno.com
  • Mapas-gratis.com
  • Adquisición de datos geoespaciales archivada el 22/08/2013 en Wayback Machine .
  • Mapeador de elevación, crea mapas de elevación georreferenciados.
Productos de datos
  • Geodesia satelital por la Institución Scripps de Oceanografía
  • Misión de topografía por radar del transbordador espacial de la NASA/JPL
  • Elevación global de 30 segundos de arco (GTOPO30) del Servicio Geológico de los Estados Unidos.
  • Datos globales de elevación del terreno multirresolución 2010 (GMTED2010) del Servicio Geológico de los Estados Unidos.
  • Earth2014 por la Universidad Técnica de Múnich
  • Modelos digitales de terreno LiDAR de Sonny para Europa
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