Modelo digital de elevación
Imágenes y mediciones del terreno generadas por computadora en 3D
Representación 3D de un DEM de Tithonium Chasma en Marte

Un modelo digital de elevación ( MDE ) o modelo digital de superficie ( MDS ) es una representación gráfica por ordenador en 3D de datos de elevación para representar el terreno o los objetos superpuestos, normalmente de un planeta , una luna o un asteroide . Un "MDE global" se refiere a una cuadrícula global discreta . Los MDE se utilizan a menudo en los sistemas de información geográfica (SIG) y son la base más común para los mapas de relieve producidos digitalmente . Un modelo digital de terreno ( MDT ) representa específicamente la superficie del suelo, mientras que los MDE y los MDS pueden representar la copa de los árboles o los tejados de los edificios .

Si bien un DSM puede ser útil para modelado de paisajes , modelado de ciudades y aplicaciones de visualización, a menudo se requiere un DTM para modelado de inundaciones o drenaje, estudios de uso de la tierra , [1] aplicaciones geológicas y otras aplicaciones, [2] y en ciencia planetaria .

Terminología

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

En la literatura científica 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 mayoría de los casos, el término modelo digital de superficie representa la superficie de la Tierra e incluye todos los objetos que se encuentran sobre ella. A diferencia de un MDS, el modelo digital de terreno (MDT) representa la superficie del suelo desnudo sin ningún objeto como plantas o edificios (véase la figura de la derecha). [3] [4]

DEM se utiliza a menudo como un término genérico para DSM y DTM, [5] representando únicamente información de altura sin ninguna definición adicional sobre la superficie. [6] Otras definiciones igualan los términos DEM y DTM, [7] igualan los términos DEM y DSM, [8] definen el DEM como un subconjunto del DTM, que también representa otros elementos morfológicos, [9] o definen un DEM como una cuadrícula rectangular y un DTM como un modelo tridimensional ( TIN ). [10] La mayoría de los proveedores de datos ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) utilizan el término DEM como un 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 de los árboles dando lecturas en algún lugar entre un DSM y un DTM). Los DTM se crean a partir de conjuntos de datos DSM de alta resolución utilizando algoritmos complejos para filtrar edificios y otros objetos, un proceso conocido como "extracción de tierra desnuda". [11] [12] En lo sucesivo, el término DEM se utiliza como un término genérico para DSM y DTM.

Tipos

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

Un DEM se puede representar como un ráster (una cuadrícula de cuadrados, también conocido como mapa de altura cuando se representa la elevación) o como una red irregular triangular basada en vectores (TIN). [13] El conjunto de datos DEM TIN también se conoce como DEM primario (medido), mientras que el DEM ráster se conoce como DEM secundario (calculado). [14] El DEM se puede adquirir a través de técnicas como fotogrametría , lidar , IfSAR o InSAR , topografía , etc. (Li et al. 2005).

Los DEM se construyen comúnmente utilizando datos recopilados mediante técnicas de teledetección, pero también pueden construirse a partir de estudios topográficos.

Representación

Mapa en relieve de Sierra Nevada, España, que muestra el uso de sombreado y colores falsos como herramientas de visualización para indicar la elevación

El modelo digital de elevación en sí consiste en una matriz de números, pero los datos de un DEM se suelen representar en forma visual para que sean comprensibles para los humanos. Esta visualización puede tener la forma de un mapa topográfico contorneado , o podría utilizar sombreado y asignación de colores falsos (o "pseudocolor") para representar las elevaciones como colores (por ejemplo, utilizando verde para las elevaciones más bajas, sombreado en rojo y blanco para la elevación más alta).

Las visualizaciones también se realizan a veces como vistas oblicuas, reconstruyendo una imagen visual sintética del terreno tal como aparecería si se mirase hacia abajo desde un ángulo. En estas visualizaciones oblicuas, las elevaciones a veces se escalan utilizando una " exageración vertical " para hacer que las diferencias de elevación sutiles sean más notorias. [15] Sin embargo, algunos científicos [16] [17] se oponen a la exageración vertical porque confunden al observador con el verdadero paisaje.

Producción

Los cartógrafos pueden preparar modelos digitales de elevación de diversas maneras, pero con frecuencia utilizan detección remota en lugar de datos de reconocimiento directo .

Los métodos más antiguos de generación de DEM a menudo implican la interpolación de mapas de contorno digitales que pueden haberse producido mediante un estudio directo de la superficie terrestre. Este método todavía se utiliza en zonas montañosas , donde la interferometría no siempre es satisfactoria. Tenga en cuenta que los datos de curvas de nivel o cualquier otro conjunto de datos de elevación muestreados (mediante GPS o estudio terrestre) no son DEM, pero pueden considerarse modelos digitales del terreno. Un DEM 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 pases de un satélite de radar (como RADARSAT-1 o TerraSAR-X o Cosmo SkyMed ), o un solo pase si el satélite está equipado con dos antenas (como la instrumentación SRTM ), recogen 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 del mismo pase 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. Más tarde, el Satélite Europeo de Teledetección (ERS, 1991) proporcionó más datos utilizando el mismo método, la Misión de Topografía Radar del Transbordador Espacial (SRTM, 2000) utilizando SAR de una sola pasada y el Radiómetro Avanzado de Emisión y Reflexión Térmica a Bordo del Espacio (ASTER, 2000) a bordo del satélite Terra utilizando pares estéreo de doble pasada. [19]

El instrumento HRS en SPOT 5 ha adquirido más de 100 millones de kilómetros cuadrados de pares estereoscópicos.

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 hacer mapas digitales de elevación de los planetas. Una herramienta principal para esto es la altimetría láser , pero también se utiliza la altimetría de radar. [20] Los mapas digitales de elevación planetaria hechos con altimetría láser incluyen el altímetro láser Mars Orbiter (MOLA) que mapea a Marte, [21] el altímetro láser orbital lunar (LOLA) [22] y el altímetro lunar (LALT) que mapea a la Luna, y el altímetro láser Mercury (MLA) que mapea a Mercurio. [23] En el mapeo planetario, cada cuerpo planetario tiene una superficie de referencia única. [24]

Métodos para obtener datos de elevación utilizados para crear DEM

Vehículo aéreo no tripulado Gatewing X100

Exactitud

La calidad de un DEM 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 DEM se puede realizar mediante la comparación de DEM de diferentes fuentes. [27] Varios factores desempeñan un papel importante en la calidad de los productos derivados de DEM:

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

Usos

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

Los usos comunes de los DEM incluyen:

Fuentes

Global

FABDEM, que se lanzó a principios de 2022, ofrece una simulación de la superficie terrestre con una resolución de 30 segundos de arco. Los datos, adaptados de GLO-30, eliminan todos los bosques y edificios. Los datos se pueden descargar de forma gratuita de forma no comercial y a través del sitio web del desarrollador a un costo comercial.

Existe un DEM global alternativo gratuito llamado GTOPO30 ( 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 pobre. También está disponible gratuitamente un DEM de calidad mucho más alta del instrumento ASTER (Radiómetro de Reflexión y Emisión Térmica Avanzado Espacial) del satélite Terra para el 99% del globo, y representa la elevación con una resolución de 30 metros . Anteriormente, solo estaba disponible una resolución similarmente alta para el territorio de los Estados Unidos con los datos de la Misión de Topografía Radar del Transbordador Espacial (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 tiene áreas montañosas y desérticas sin datos (vacías). Los datos SRTM, al derivarse del radar, representan la elevación de la primera superficie reflejada, con frecuencia las copas de los árboles. Por lo tanto, los datos no son necesariamente representativos de la superficie del suelo, sino de la parte superior de lo que sea que encuentre primero el radar.

Los datos de elevación submarina (conocidos como batimetría ) se generan utilizando sondeos de profundidad montados en barcos . Cuando se combinan 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. [30] El modelo global de topografía y relieve Earth2014 [31] proporciona cuadrículas topográficas en capas 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 debajo del 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 del satélite TanDEM-X , que comenzó en julio de 2010, proporcione un nuevo DEM global con posiciones inferiores a 12 m y una precisión de altura inferior a 2 m.

El espaciado de cuadrícula (raster) más común es de entre 50 y 500 metros. En gravimetría, por ejemplo, la cuadrícula primaria puede ser de 50 m, pero se cambia a 100 o 500 metros en distancias de aproximadamente 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 una distancia de posicionamiento de 30 metros) en 50 millones de km2 . [ 32] El satélite de radar RADARSAT-2 ha sido utilizado por MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. para proporcionar DEM a clientes comerciales y militares. [33]

En 2014, las adquisiciones de los satélites radar TerraSAR-X y TanDEM-X estarán disponibles en forma de una cobertura global uniforme con una resolución de 12 metros. [34]

ALOS ofrece desde 2016 un DSM global de 1 segundo de arco gratuito [35] y un DSM/DTM comercial de 5 metros. [36]

Local

Muchas agencias cartográficas nacionales producen sus propios DEM, a menudo de mayor resolución y calidad, pero con frecuencia deben adquirirse y el costo suele ser prohibitivo para todos, excepto para las autoridades públicas y las grandes corporaciones. Los DEM suelen ser un producto de los programas nacionales de conjuntos de datos lidar .

También hay DEM gratuitos disponibles para Marte : el MEGDR, o Registro de Datos en Cuadrícula de Experimentos de Misión, del instrumento Altímetro Láser Mars Orbiter (MOLA) del Mars Global Surveyor ; y el Modelo Digital de Terreno de Marte (DTM) de la NASA. [37]

Sitios web

OpenTopography [38] es un recurso comunitario basado en la web 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 informáticos de alto rendimiento y de consumo junto con recursos educativos. [39] OpenTopography tiene su sede en el Centro de Supercomputación de San Diego [40] en la Universidad de California en San Diego y se opera en colaboración con colegas de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona y UNAVCO. [41] El soporte operativo principal para OpenTopography proviene de la Fundación Nacional de Ciencias, División de Ciencias de la Tierra.

OpenDemSearcher es un Mapclient con una visualización de regiones con DEM de resolución media y alta disponibles de forma gratuita. [42]

Modelo STL 3D de la Luna con una exageración de elevación de 10× generada con datos del altímetro láser del Lunar Orbiter del Lunar Reconnaissance Orbiter

Véase también

Formatos de archivos DEM

Referencias

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Lectura adicional

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  • Comparación de calidad de DEM
  • Mapa del terreno.com
  • Mapas-gratis.com
  • Adquisición de datos geoespaciales Archivado el 22 de agosto de 2013 en Wayback Machine
  • Elevation Mapper, crea mapas de elevación georreferenciados
Productos de datos
  • Geodesia satelital del Instituto 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 Estados Unidos
  • Datos globales de elevación del terreno en múltiples resoluciones 2010 (GMTED2010) del Servicio Geológico de Estados Unidos
  • Earth2014 por la Universidad Técnica de Múnich
  • Modelos digitales del terreno de Europa con LiDAR de Sonny
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