S8_Modelos Digitales del Terreno

Un MDT es un conjunto de datos númericos almacenados digitalmente que describen la distribución espacial de una característica del territorio (Rad. Solar, Precipitación, Evapotranspiración). Un MDT muy utilizad es el Modelo Digital de Elevación (MDE), el cual representa la distribución espacial de altitud de la superficie del terreno.

Altimetría: Métodos y porocedimientos para determinar y representar la altura o cota de cada punto frente a un plano de referencia, con esta se representa el relieve del terreno.
Batimetría: Equivalente la submaríno de la altimetría.

Origen de los MDT:

El nombre Digital Terrain Model se origino el el laboratorio de fotogrvimetría del MIT en los 50’s. Con Miller y Laflamme (1958) se establecen los primeros principios del uso de los modelos digitales para el tratamiento de los probleas tecnológicos científicos y militares.

En los trabajos se meciona que los MDT con una representación estadística de la superficie continua del terreno mediante un número elevado de puntos selectos con coordenadas XYZ conocidas en un sistema de coordenadas arbitrario.

Obtención de datos:

Métodos topográficos terrestres:
Miden directamente la altitud, son de alta métodos de alta precisión, aplicables a áreas inferiores a 10 km². Son: Métodos topográficos clásicos, métodos GPS y LIDAR terrestre.
Métodos fotogravimétricos y teledetección:
Métodos indirectos que captan la energía electro magnética en un soporte físico o digital. Los MDE obtenidos con plataformas satelitales son menos precisos que los obtenidos con aéreas. Posteriormente mediantes técnicas fotogravimpetricas se determinan las propiedades geométricas de los objetos y sus coordenadas espaciales.
Radar:
Método indirecto que capta la energía que emite el propio sistema. Se basa en el efecto Doppler (el cambio de frecuencia de una onda producido por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador). La distancia se obtiene del sensor a un punto midiento el tiempo y azimut. Su ventaja radica en su indpendencia de las condiciones atmosféricas.
LIDAR aerotransportado:
Laser Imaging Detection and Ranging es una tecnología que permite determinar la sistancia desde un emisor láser a un objeto o superficie utilizando un haz láser que se emite por pulsos. La distancia se mide según el tiempo de retraso entre la emisión del pulso y su detección a través de la señal reflejada.
La ventaja de esto es el alto número de puntos obtenidos y su gran homogeneidad espacial, sin embargo se suele acompañar con imágenes del área a levantar además que un mismo pulso no puede ser amortiguado por que puede estar produciendo varias señales.
Consiste en un sensor láser instalado en una plataforma móvil que barre las superficies que se encuentran entre el sensor y el terreno, obteniendo una nube de puntos de coordenadas precisas. El equipo se conponer de un sensos láser, un sistema de navegación inercial (INS) y un receptor GPS. Para obtener más precisión dispone de una red GPS e tierra que trabaja de forma conjunta con el receptor GPS de la plataforma.

Tipos de estructura MDT

Matrices regulares:
Resultado de superponer una retícula en el terreno y extraer la altitud media de cada punto. Esta puede adoptar formas variadas, pero la más utilizada es la red regular de malla cuadrada con filas y columnas equiespaciadas. En esta estructura la localización espacial de cada dato esta implicitamente determinada por su situación en la matriz una vez definidos su origen e intervalos entre filas y columnas. Las matrices de altitudes pueden ser generadas por interpolación o métodos fotogravimétricos.
Triangulated irregular network (TIN):
TIN: modelo de datos geográficos dígitales basados en vectores que se construyen meduante la triangulación de un conjunto de vértices. Existen diversas formas para formas estois trángulos como la tiangulación de Delaunay:
- Se basa en que la circunferencia cicunscrita de casa triángulo de la red no debe contener nungún vértice de otro triángulo.
- Si se cumple el criteio de Delaunay entonces se maximiza el ángulo interior mínimo de todos los triángulos en el TIN, por tanto se evitan los triángulos estrechos y largos.
Los bordes forman caras triangulares contiguas, no superpuestas que se utilizan para la capturar la posición de entidades que juegan un papel importante en una superficie.
Como los nodos son irregulares los TIN pueden tener una resolución más alta en superficies variables, caso contrario si se desea un nivel de detalle superior y una resolución más baja.
Comparación de MDT’s TIN con Ráster:
Los TIN con menos generalizados y son más caros de contruir y procesar. El coste de de obtener buenos datos es elvado y el procesamiento de los TIN suele ser menos eficaz que el de los Ráster debido a la complejidad de los datos.
Los TIN se utilizan para el modelado de alta precisión de áreas más pequeñas como para realizar cálculos de áreas planimétricas, sperficie o volumen; mientras que un Ráster DEM es mejor para el análisis de superficies u orientaciones.

Características de los MDT:

Tienen tres características principales:

Su resolcuión espacial o paso de malla: distancia entre ountos adyacentes.
Su cobertura geográfica: zonas donde existen datos disponibles
Su postprocesado de dato: la calidad depende de la aplicación o tratamientos tras su obtención.

Generación de MDT:

Consiste en encontrar una relación matemática que permita predeir el valos de una variable en todo el territorio a paratir de los datos obtenidos individualmente. Este proceso se realiza a través de algoritmos de interpolación y su elección depende de factores como: n° de datos, tipos de variables, tipo de representación, etc.

Métodos de interpolación:
- Inverse distancce weighted (IDW): Estima los valores de las celdas calculando los promedios de los valores de los puntos de datos de muestra en la vencidad de cada celda de provesamiento, mientras más cerca del centro que se esta estimando, más influencia tendrá en el cálculo.
- Kriging: Procedimiento geoestadístico avanzado que fenera una superficie estimada a partir de un conjunto de puntos dispersados con valores z.
- Vecino natural/Interpolación Sibson/Robo de área: Halla el subconjunto de muestras de entrada más cercano a un punto de consulta y aplica ponderaciones sobre ellas basándose en áreas proporcionales ára interpolar un valor.
- Spline: Estima valores usando una función matemática que minimiza la curvatura general de la superficie, lo que resulta en una más suave que pasa exactamente por los puntos de entrada.
- Spline con barreras: Distingue las discontinuidades codificadas tanto en las barreras de entrada como en los datos del punto de entrada.
- Tendencia: Interpolación polinómica global que ajusta a una superficie suave definada por una función matemática a los puntos de muestra de entrada. La superficie de tendencia cambia gradualente y captira los patrones de escala sin detallar en los datos.

Variables derivadas a partir de un MDT

Pendientes
Indentifica la pendiente desde cada celda de una superficie ráster. En ArcGIS funciona de la siguiente forma: Para cada celda se cálcula la tasa mácima de cambio del valor de esas celda a sus vecinas.
Mientras menos sea el valor de la pendiente más plano el terreno, de forma contraria el terreno es más pronunciado.
La pendiente se calcula para cada triángulo en los TIN y para cada celda en los rásteres. Para una red irregular de TIN esta es la tasa máxima de cambio de elevación y para los rásteres lo es para cada celda y sus ocho vecinas.
Curvas de nivel
Conectan las ubicaciones de ingual valor en ráster que representa fenómenod continuos como: elevación, temperatura, precipitación, contaminanción o presión atmósferica.
Las líneas de curvas de nivel se denominan isolíneas pero tambien pueden tener términos específicos según la variable que se esté midiendo: isaobaras para presión, isotermas para la temperatura e isoyetas para la precipitaición.
Orientación:
Identifica la direción del cambio maximo de la pendiente descendetes en un valor desde cada celda hacia las vecinas.
En ArcGIS, los valores de cada celda del ráster indican la dirección de brújula de la superficie en esa ubicación, medidos de 0 a 360 grados en sentido horario. Las áreas planas sin dirección de pendiente descendente tienen un valor de -1. La herramienta Orientación ajusta un plano a los valores z de una vecindad de 3x3 celdas alrededor de la celda central, determinando la dirección a la que apunta el plano como la orientación para la celda de procesamiento.
Curvatura:
La curvatura de una superficie de ráster, así como la curvatura del perfil y del plano, se calcula mediante la derivada segunda de la superficie celda por celda. Para cada celda, se utiliza una transformación polinómica de cuarto orden:
Z = Ax²y² + Bx²y + Cxy² + Dx² + Ey² + Fxy + Gx + Hy + I,
ajustándose a una superficie en una ventana de 3x3. Los coeficientes se determinan a partir de esta superficie. La salida de la herramienta Curvatura representa la segunda derivada de la superficie, o la pendiente de la pendiente.
La curvatura positiva indica que la superficie es convexa hacia arriba en una celda, mientras que la curvatura negativa indica que es cóncava. Un valor de 0 significa que la superficie es plana. Las unidades del ráster de curvatura de salida son una centésima parte (1/100) de una unidad Z. En áreas accidentadas, los valores esperados oscilan entre -0,5 y 0,5; en montañas empinadas, entre -4 y 4.
En ArcGIS, hay dos tipos de curvatura de salida: la curvatura del perfil, que se orienta en la dirección de la pendiente máxima, afectando el caudal de agua y la erosión, donde la negativa es convexa y la positiva cóncava; y la curvatura del plano, que es perpendicular a la pendiente y se utiliza para diferenciar valles y crestas, donde la negativa es cóncava y la positiva convexa.
Describe las características físicas de una cuenca de drenaje para entender los procesos de eroción y ecorrentía. La pendiente afecta la tasa general de movimiento descendente, pues la oreintacipon define el flujo, y la curvatura del perfil afecta la aceleración y desaceleración del flujo, influyendo en la oración y la sedimentación. La curvatura del plano influye en la convergencia y divergencia del flujo.
Sombreado
Iluminación hipotética de una superficie por la que se determina los valores de iluminación para cada celda en un ráter. Para ello se configura la posición de una fuente de luz hipotética y se calculan los valores de iluminación de cada celda respecto de las celdas vecinas. El factor principal al crear un mapa de sombreado es la ubicación del sol en el cielo:
- Acimut: Es la dirección angular del sol, medida de 0 a 360° desde el norte en setido horario.
- Altitud: Altitud de la pendiente o el ángulo de la fuente de iluminación por encimal de horizonte, expresando las unidades en °: 0 en el horizonde y 90 en el zenit.