Cartografía del terreno

La cartografía del terreno o mapeo del relieve es la representación de la forma de la superficie de la Tierra en un mapa, utilizando una o más de varias técnicas que se han desarrollado. El terreno o el relieve es un aspecto esencial de la geografía física y, como tal, su representación presenta un problema central en el diseño cartográfico y, más recientemente, en los sistemas de información geográfica y la geovisualización .

Los perfiles de colinas , la forma más antigua de representación en relieve en cartografía, son simplemente ilustraciones de montañas y colinas de perfil, colocadas según corresponda en mapas generalmente de pequeña escala (que cubren un área amplia). Hoy en día, rara vez se utilizan, excepto como parte de un estilo "antiguo".

En 1921, AK Lobeck publicó Un diagrama fisiográfico de los Estados Unidos , utilizando una versión avanzada de la técnica del perfil de colina para ilustrar la distribución de las formas del relieve en un mapa a pequeña escala. ^[1] Erwin Raisz desarrolló, estandarizó y enseñó aún más esta técnica, que utiliza una textura generalizada para imitar las formas del relieve en un área grande. ^[2] Una combinación de perfil de colina y relieve sombreado, este estilo de representación del terreno es simultáneamente idiosincrásico para su creador (a menudo pintado a mano) y lo encontró esclarecedor para ilustrar patrones geomorfológicos .

Más recientemente, Tom Patterson desarrolló una técnica generada por computadora para mapear el terreno inspirada en el trabajo de Raisz, llamada plan oblique relief ^[3] . Esta herramienta comienza con una imagen de relieve sombreada y luego desplaza los píxeles hacia el norte proporcionalmente a su elevación. El efecto es hacer que las montañas "se levanten" y "se coloquen sobre" las características del norte, de la misma manera que los perfiles de las colinas. Algunos espectadores pueden ver el efecto más fácilmente que otros.

Las tramas , estandarizadas por primera vez por el topógrafo austríaco Johann Georg Lehmann en 1799, son una forma de sombreado que utiliza líneas. Muestran la orientación de la pendiente y, por su grosor y densidad general, brindan una sensación general de inclinación. Al no ser numéricas, son menos útiles para un estudio científico que las curvas de nivel, pero pueden comunicar con éxito formas bastante específicas del terreno. ^[2] Son especialmente efectivas para mostrar un relieve relativamente bajo, como colinas onduladas. Fue un estándar en los mapas topográficos de Alemania hasta bien entrado el siglo XX.

Se han realizado múltiples intentos de recrear esta técnica utilizando datos SIG digitales, con resultados mixtos.

Las curvas de nivel (o isohipsas), desarrolladas por primera vez en Francia en el siglo XVIII, son isolíneas de igual elevación. Esta es la forma más común de visualizar la elevación cuantitativamente y se conoce en los mapas topográficos .

La mayoría de las inspecciones nacionales del siglo XVIII y principios del XIX no registraban el relieve en toda el área de cobertura, calculando solo elevaciones puntuales en los puntos de inspección. Los mapas topográficos del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) incluían una representación del relieve en curvas de nivel, por lo que los mapas que muestran el relieve, especialmente con una representación exacta de la elevación, pasaron a llamarse mapas topográficos (o mapas "topo") en los Estados Unidos , y su uso se ha extendido a nivel internacional.

En los mapas producidos por Swisstopo , el color de las líneas de contorno se utiliza para indicar el tipo de suelo: negro para rocas desnudas y pedregales , azul para hielo y contornos submarinos, y marrón para suelo cubierto de tierra. ^[4]

La técnica de contornos de Tanaka (relieve) es un método utilizado para iluminar las curvas de nivel con el fin de ayudar a visualizar el terreno. Las líneas se resaltan o sombrean según su relación con una fuente de luz en el noroeste. Si el objeto que se ilustra sombreara una sección de la curva de nivel, esa curva de nivel se representaría con una banda negra. De lo contrario, las pendientes orientadas hacia la fuente de luz se representarían con bandas blancas.

Este método fue desarrollado por el profesor Tanaka Kitiro en 1950, pero se había experimentado con él ya en 1870, con poco éxito debido a las limitaciones tecnológicas de la impresión. El terreno resultante en ese momento era una imagen en escala de grises. ^[5] El cartógrafo Berthold Horn creó más tarde un software para producir digitalmente los contornos de Tanaka, y Patrick Kennelly, otro cartógrafo, encontró más tarde una forma de añadir color a estos mapas, haciéndolos más realistas. ^[6]

Este método presenta varios problemas. Históricamente, la tecnología de impresión no reproducía bien los contornos de Tanaka, especialmente las líneas blancas sobre un fondo gris. Este método también requiere mucho tiempo. Además, el aspecto de las terrazas no resulta atractivo ni preciso en algunos tipos de terreno. ^[7]

Los tintes hipsométricos (también llamados tintes de capas, tintes de elevación, coloración de elevación o coloración hisométrica) son colores colocados entre las líneas de contorno para indicar la elevación . Estos tintes se muestran como bandas de color en un esquema graduado o como un esquema de color aplicado a las propias líneas de contorno; cualquiera de los métodos se considera un tipo de mapa isarítmico . El tinte hipsométrico de mapas y globos terráqueos suele ir acompañado de un método similar de tinte batimétrico para transmitir las diferencias en la profundidad del agua.

El relieve sombreado , o sombreado de colinas, muestra la forma del terreno de una manera realista al mostrar cómo se iluminaría la superficie tridimensional desde una fuente de luz puntual. Las sombras normalmente siguen la convención de iluminación superior izquierda en la que la fuente de luz se coloca cerca de la esquina superior izquierda del mapa. Si el mapa está orientado con el norte en la parte superior, el resultado es que la luz parece provenir del noroeste. Aunque esta es una iluminación poco realista en el hemisferio norte, el uso de una fuente de luz del sur puede causar ilusiones de percepción multiestable , en las que la topografía parece invertida. ^[8]

El relieve sombreado se dibujaba tradicionalmente con carboncillo , aerógrafo y otros medios artísticos. El cartógrafo suizo Eduard Imhof es ampliamente considerado como un maestro de la técnica y la teoría del sombreado manual de colinas. Hoy en día, el relieve sombreado se genera casi exclusivamente por computadora a partir de modelos digitales de elevación (DEM). La base matemática del sombreado analítico es calcular la normal de la superficie en cada ubicación y luego calcular el ángulo entre ese vector y el vector que apunta a la iluminación utilizando el producto escalar ; cuanto menor sea el ángulo, más iluminación recibe esa ubicación. Sin embargo, la mayoría de las implementaciones de software utilizan algoritmos que acortan esos cálculos. Esta herramienta está disponible en una variedad de software de SIG y gráficos, incluidos Photoshop , QGIS , GRASS GIS o la extensión Spatial Analyst de ArcMap .

Si bien estas herramientas relativamente simples han hecho que el relieve sombreado sea casi omnipresente en los mapas, muchos cartógrafos ^{[ palabras confusas ]} no han estado satisfechos con el producto ^{[ ¿cuáles? ]} y han desarrollado técnicas para mejorar su apariencia, incluidas las siguientes:

Las contribuciones de Imhof incluyeron un enfoque multicolor para el sombreado, con púrpuras en los valles y amarillos en los picos, lo que se conoce como "sombreado iluminado". Iluminar los lados del terreno que miran hacia la fuente de luz con colores amarillos proporciona un mayor realismo (ya que la luz solar directa es más amarilla y la luz ambiental es más azul), mejora la sensación de la naturaleza tridimensional del terreno y hace que el mapa sea más estéticamente agradable y de aspecto artístico. ^[9] Se ha trabajado mucho en la recreación digital del trabajo de Eduard Imhof , que ha tenido bastante éxito en algunos casos. ^[10]

Una crítica común al sombreado analítico generado por computadora es su apariencia artificial y austera, en la que las pendientes que miran hacia la luz son completamente blancas y las que miran hacia el otro lado son completamente negras. Raisz lo llamó "sombreado plástico" y otros han dicho que parece un paisaje lunar. ^[2] Una solución es incorporar múltiples direcciones de iluminación para imitar el efecto de la iluminación ambiental, creando un producto de apariencia mucho más realista. Se han propuesto múltiples técnicas para hacer esto, incluido el uso de software de sistemas de información geográfica para generar múltiples imágenes de relieve sombreado y promediarlas juntas, el uso de software de modelado 3D para renderizar el terreno , ^[11] y herramientas de software personalizadas para imitar la iluminación natural utilizando hasta cientos de fuentes individuales. ^[12] Se ha descubierto que esta técnica es más efectiva para terrenos muy accidentados a escalas medias de 1:30 000 a 1:1 000 000.

Es posible hacer que el terreno parezca más realista imitando el aspecto tridimensional no solo de la superficie del terreno desnudo, sino también de las características que cubren esa superficie terrestre, como edificios y plantas. El mapeo de texturas o mapeo de relieve es una técnica adaptada de los gráficos de computadora que agrega una capa de textura sombreada al relieve de la superficie sombreada que imita el aspecto de la cobertura terrestre local. ^[13] Esta textura se puede generar de varias maneras:

• Sustitución de texturas : copia, abstracción y fusión de imágenes obtenidas por teledetección de la cobertura terrestre. ^[14]
• Generación de textura : creación de una capa de elevación de cobertura terrestre simulada en SIG, como una dispersión aleatoria de "árboles", y luego generación de un relieve sombreado de esto. ^[15]
• Medición de elevación : uso de técnicas de teledetección de alta resolución, especialmente lidar y drones , para medir directa o indirectamente (a través de la fotogrametría ) la altura o forma de las características de la cobertura terrestre y sombrear esa superficie de elevación.

Esta técnica es más útil para producir mapas realistas a escalas relativamente grandes, de 1:5.000 a 1:50.000.

Un desafío con el relieve sombreado, especialmente a escalas pequeñas (1:500.000 o menos), es que la técnica es muy buena para visualizar el relieve local (de alta frecuencia), pero puede no mostrar de manera efectiva las características más grandes. Por ejemplo, una zona accidentada de colinas y valles mostrará tanta o más variación que una montaña grande y lisa. El aumento de resolución es una técnica híbrida desarrollada por el cartógrafo del NPS Tom Patterson para mitigar este problema. ^[16] Un DEM de resolución fina se promedia con una versión muy suavizada (es decir, una resolución significativamente más gruesa). Cuando se aplica el algoritmo de sombreado de colinas a esto, tiene el efecto de mezclar los detalles finos del modelo de terreno original con las características más amplias que resalta el modelo suavizado. Esta técnica funciona mejor a escalas pequeñas y en regiones que son consistentemente accidentadas.

Vista tridimensional (proyectada sobre un medio bidimensional) de la superficie de la Tierra, junto con las características geográficas que descansan sobre ella. Las vistas aéreas imaginarias de ciudades se produjeron por primera vez a fines de la Edad Media , pero estas "vistas aéreas" se volvieron muy populares en los Estados Unidos durante el siglo XIX. La llegada de los SIG (especialmente los avances recientes en visualización global y en 3D) y el software de modelado gráfico en 3D ha hecho que la producción de vistas aéreas realistas sea relativamente fácil, aunque la ejecución de un diseño cartográfico de calidad en estos modelos sigue siendo un desafío. ^[17]

Este es un mapa en el que el relieve se muestra como un objeto tridimensional. La forma más intuitiva de representar el relieve es imitarlo a escala. Los dioramas hechos a mano pueden remontarse al año 200 a. C. en China, pero la producción en masa no estuvo disponible hasta la Segunda Guerra Mundial con la invención de los mapas de plástico formados al vacío y el mecanizado computarizado para crear moldes de manera eficiente. El mecanizado también se utiliza para crear grandes modelos personalizados a partir de sustratos como espuma de alta densidad, e incluso se pueden colorear en función de la fotografía aérea colocando un cabezal de impresión de inyección de tinta en el dispositivo de mecanizado. La llegada de la impresión 3D ha introducido un medio mucho más económico para producir mapas en relieve, aunque la mayoría de las impresoras 3D son demasiado pequeñas para producir dioramas grandes de manera eficiente. ^[18]

La representación del terreno abarca una variedad de métodos para representar superficies del mundo real o imaginario . La representación del terreno más común es la representación de la superficie de la Tierra . Se utiliza en varias aplicaciones para dar al observador un marco de referencia . También se utiliza a menudo en combinación con la representación de objetos que no son del terreno, como árboles , edificios , ríos , etc.

Existen dos modos principales de representación del terreno: la representación de arriba hacia abajo y la representación en perspectiva . La representación de arriba hacia abajo del terreno se conoce desde hace siglos en el ámbito de los mapas cartográficos . La representación del terreno en perspectiva también se conoce desde hace bastante tiempo. Sin embargo, la representación en perspectiva se ha generalizado recién con la llegada de las computadoras y los gráficos por computadora .

Una aplicación de renderización de terreno típica consta de una base de datos de terreno , una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento de gráficos dedicada (GPU) y una pantalla. Una aplicación de software está configurada para comenzar en la ubicación inicial en el espacio del mundo . La salida de la aplicación es una representación del espacio de pantalla del mundo real en una pantalla. La aplicación de software utiliza la CPU para identificar y cargar datos de terreno correspondientes a la ubicación inicial de la base de datos de terreno, luego aplica las transformaciones necesarias para construir una malla de puntos que se pueden renderizar mediante la GPU, que completa las transformaciones geométricas, creando objetos del espacio de pantalla (como polígonos ) que crean una imagen que se asemeja mucho a la ubicación del mundo real.

Existen varias formas de texturizar la superficie del terreno. Algunas aplicaciones se benefician del uso de texturas artificiales, como coloración de elevación, tablero de ajedrez u otras texturas genéricas. Algunas aplicaciones intentan recrear la superficie del mundo real con la mejor representación posible mediante fotografías aéreas e imágenes satelitales .

En los videojuegos , se utiliza el efecto salpicado de texturas para texturizar la superficie del terreno.

Existe una gran variedad de métodos para generar superficies de terreno. El principal problema que resuelven todos estos métodos es la gestión del número de polígonos procesados ​​y renderizados. Es posible crear una imagen muy detallada del mundo utilizando miles de millones de puntos de datos. Sin embargo, estas aplicaciones se limitan a imágenes estáticas. La mayoría de los usos de la renderización de terrenos son imágenes en movimiento, que requieren que la aplicación de software tome decisiones sobre cómo simplificar (descartando o aproximando) los datos de origen del terreno. Prácticamente todas las aplicaciones de renderización de terrenos utilizan el nivel de detalle para gestionar el número de puntos de datos procesados ​​por la CPU y la GPU. Existen varios algoritmos modernos para la generación de superficies de terreno. ^{[19] [20] [21] [22]}

La representación del terreno se utiliza ampliamente en los juegos de ordenador para representar tanto la superficie de la Tierra como mundos imaginarios. Algunos juegos también tienen deformación del terreno (o terreno deformable).

Una aplicación importante de la representación del terreno es en los sistemas de visión sintética . Los pilotos que vuelan aeronaves se benefician enormemente de la capacidad de ver la superficie del terreno en todo momento, independientemente de las condiciones externas a la aeronave.

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Se pone énfasis en la divisoria hidrológica del drenaje y en las corrientes de las cuencas hidrográficas.

La representación del relieve es especialmente importante en las regiones montañosas . La Comisión de Cartografía de Montaña de la Asociación Cartográfica Internacional es el foro más conocido para el debate sobre la teoría y las técnicas de cartografía de estas regiones.

• Etiquetado cartográfico
• Mapas pictóricos
• Mapeo geomip
• Mapas de recortes de geometría
• ROAM (Malla de adaptación óptima en tiempo real)

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Sombreado topográfico .

• Relieve sombreado, un sitio web de Tom Patterson
• Sombreado de relieve, un sitio web del Instituto de Cartografía de la ETH de Zúrich
• Wikipedia Graphic Lab , un tutorial sobre cómo crear mapas de relieve sombreado utilizando software libre y de código abierto
• Representación de un mapa mediante la técnica de sombreado en relieve en Photoshop
• Proyecto de Terreno Virtual
• Sombreado de relieve submarino