jueves, 29 de diciembre de 2016

LA ALTIMETRÍA DIGITAL : TIN, CURVAS DE NIVEL, DEM, DTM, DSM

Como siempre sucede con estos términos técnicos asociados a la geomática, en muchos casos generan confusión y la gente tiende a mezclar de manera errónea términos y conceptos, por eso me pareció buena idea ponerme a escribir un poco sobre este tema a ver si logro aclarar las cosas para muchos colegas y estudiantes que siempre me preguntan:

En varias de la bibliografías existentes, se divide a la topografía en Planimetría y Altimetría.

PLANIMETRÍA
La planimetría Es la parte de la topografía que estudia el conjunto de métodos y procedimientos que tienden a conseguir la representación a escala de todos los detalles interesantes del terreno sobre una superficie plana, prescindiendo de su relieve; solo tiene en cuenta la proyección del terreno sobre un plano horizontal imaginario que se supone es la superficie media de la Tierra. La Planimetría considera la proyección del terreno sobre un plano horizontal, esta proyección se denomina “Base Productiva” y es la que se considera cuando se habla del área de un terreno. Las distancias se toman sobre la proyección.

ALTIMETRÍA
Es la parte de la Topografía que estudia el conjunto de métodos y procedimientos para determinar y representar la altura; también llamada "cota", de cada uno de los puntos, respecto de un plano de referencia. Con la Altimetría se consigue representar el relieve del terreno, (planos de curvas de nivel, perfiles, etc.). En la Altimetría se tienen en cuenta las diferencias de nivel existentes entre los diferentes puntos del terreno.

 MAPAS TOPOGRÁFICOS
Un mapa topográfico es una representación, generalmente parcial, del relieve de la superficie terrestre a una escala definida. A diferencia de los planos topográficos, los mapas topográficos representan amplias áreas del territorio: una zona provincial, una región, un país o el mundo. En ellos se incluyen curvas de nivel, que permiten reflejar la forma de la superficie de la Tierra.
Los mapas topográficos han sido, prácticamente en exclusiva hasta los años 70, las herramientas para visualizar y valorar las condiciones de la altimetría del terreno. Pero la interpretación y en definitiva la utilidad de estos mapas, muy ágil para la percepción visual de la superficie topográfica, resultaba limitada para realizar análisis cuantitativos

 En este artículo me voy a referir a la altimetría o también llamada Hipsometría y sus métodos y formas de representación.  Con la llegada de los drones, pone de moda nuevamente, la importancia de conocer sobre estos términos que resultan fundamentales para poder entender con claridad, los productos que se generan de un proceso fotogrametrico.

EQUIPOS PARA MEDIR ALTIMETRÍA
La altimetría se puede medir con varios tipos de equipos como Altímetro Barométrico, GPS, Altímetro Radioeléctrico, Estación Total, Teodolito, Mareógrafos, Geoide, etc.

TIPOS DE ALTURAS
Existen varios tipos de alturas, que van a depender del método de medición y del sistema de referencia, entre otras cosas. No me voy a extender mucho en este tema, pero es importante saber que existen diferentes tipos de alturas. Estos son los tipos de alturas que existen:
  • alturas de la nivelación (dependen del trayecto)
  • alturas elipsoidales (las que mas se usan en los GPS)
  • alturas ortométricas (se refieren al geoide)
  • alturas normales (las que generalmente se usan mas comúnmente)
  • alturas dinámicas
FORMAS DE REPRESENTACIÓN DE LAS ALTURAS EN LA CARTOGRAFÍA
Existen varias formas de representar en un mapa a las alturas.  La más común históricamente hablando son las curvas de nivel, pero ahora en el mundo digital se habla de DEM, DTM y DSM entre otros. Voy a usar los términos en inglés y en español ya que ambos se mezclan en mucha de la bibliografía. Los más comunes son: TIN, DEM, QUADRA TREE, GRID, MULTIRESOLUCION



 TIN - TRIANGULAR IRREGULAR NETWORK / Red de Triángulos Irregulares (TIN)
Una Red de Triángulos Irregulares (TIN) son triángulos irregulares dispuestos en forma de red. También se pueden definir como una representación de superficies continuas derivada de una estructura de datos espacial generada a partir de procesos de triangulación. Una malla TIN conecta una serie de puntos a través de una red de triángulos irregulares cuyos vértices se corresponden con dichos puntos, los cuales tienen las coordenadas x, y y z de donde se localizan. La teselación resultantes configuran el modelo de superficie.  Un TIN es una representación digital vectorial.
¿De dónde se obtienen estos triángulos? 
Estos se obtienen de puntos altimétricos o de los nodos obtenidos de las curvas de nivel, o de una combinación de ambos, (esto sería lo más recomendable) y nos sirven para modelar el relieve.
La particularidad de estos triángulos reside en que si trazáramos un círculo alrededor de uno de estos triángulos, el resto de nodos quedarían excluidos del mismo. Es lo que se conoce como triangulación Delaunay.
Los TIN se pueden generar a partir de un conjunto de puntos, en los que se conoce la elevación, se traza un conjunto de triángulos, formados por tripletas de puntos cercanos no colineales, formando un mosaico. En ocasiones se parte de las curvas de nivel que, tras descomponerse en un conjunto de puntos, genera una red irregular de triángulos. En este caso hay que tener en cuenta que pueden formarse triángulos a partir de puntos extraídos de la misma curva de nivel, por tanto con el mismo valor, que darán lugar a triángulos planos. Tienen entre sus ventajas el adaptarse mejor a las irregularidades del terreno, ocupar menos espacio y dar muy buenos resultados a la hora de visualizar modelos en 3D o determinar cuencas visuales. Entre los inconvenientes destaca un mayor tiempo de procesamiento y el resultar bastante ineficientes cuando se intenta integrarlos con información de otro tipo; en definitiva hay que utilizarlos para interpolar una capa raster.
Los TIN como forma de representar el relieve, tienen sus ventajas y sus desventajas, como todas las cosas del mundo.  Una de las ventajas de los TIN es que en zonas no muy extensas, el tiempo de procesamiento con respecto a un ráster mejora ostensiblemente, así como su almacenamiento en el disco duro, sin embargo, estas ventajas desaparecen cuando estamos trabajando en áreas más extensas. Otro punto de desventaja es que es un tanto complicado deshacerse de la impronta triangular que caracteriza a estas representaciones del relieve con lo que da la impresión de que la representación es un tanto irreal.

CURVAS DE NIVEL - CONTOUR
Una curva de nivel es aquella línea que en un mapa une todos los puntos que tienen igualdad de condiciones y de altitud. Un curva de nivel es una representación digital vectorial ya sea dxf o shp.
Se trata de líneas en formato digital vectorial, definidas por tanto como una sucesión de pares de coordenadas, que tienen como identificador el valor de la elevación en cada uno de los puntos de la línea. Generalmente el intervalo entre valores de las curvas de nivel es constante.
Las curvas de nivel suelen imprimirse:
  • en los mapas en color siena para el terreno y en azul para los glaciares y las profundidades marinas. 
  • La impresión del relieve suele acentuarse dando un sombreado que simule las sombras que produciría el relieve con una iluminación procedente del Norte o del Noroeste. 
  • En los mapas murales, las superficies comprendidas entre dos curvas de nivel convenidas se imprimen con determinadas tintas convencionales (tintas hipsométricas). Por ejemplo: verde oscuro para las depresiones situadas por debajo del nivel del mar, verdes cada vez más claros para las altitudes medias, y sienas cada vez más intensos para las grandes altitudes, reservando el rojo o violeta para las mayores cumbres de la tierra.
DEM - (Digital Elevation Model) - Modelo Digital de Elevaciones (MDE)
Un modelo de elevación digital es una cuadrícula raster de tierra desnuda regularmente espaciada y referenciada a un datum vertical común. Al filtrar puntos no terrestres como puentes y carreteras, se deja un modelo de elevación digital suave. La construcción (líneas eléctricas, edificios y torres) y naturales (árboles y otros tipos de vegetación) no se extruyen en un DEM.
También es aquel, en el que la variable representada es la cota del terreno en relación a un sistema de referencia concreto. Un Modelo Digital de Elevaciones es una estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de la altitud de la superficie del terreno.
Un terreno real puede describirse de forma genérica como una función bivariable continua. En la práctica, la función no es continua sino que se resuelve a intervalos discretos, por lo que el
MDE está compuesto por un conjunto finito y explícito de elementos.
No obstante no hay un uso normalizado en la literatura científica de los términos: DEM, DTM y DSM pero daré una breve explicación de su uso más común.

DTM - (Digital Terrain Model) - Modelo Digital del Terreno (MDT)
Un MDT es una cuadrícula raster y representa la superficie de suelo desnudo y sin ningún objeto, como la vegetación o los edificios.
Un modelo digital del terreno es un modelo topográfico de la tierra desnuda que puede ser manipulado por los programas informáticos. Los ficheros de datos contienen los datos de elevación espacial del terreno en formato digital. Ver artículo


DSM - (Digital Surface Model) - Modelo Digital de Superficie (MDS)
Se refiere a la superficie de la tierra e incluye todos los objetos que esta contiene. Un DSM captura las características naturales y construidas en la superficie de la Tierra. Un DSM es una cuadrícula raster
Un DSM es especialmente útil en modelado 3D y es relevante en telecomunicaciones, planificación urbana, aviación y silvicultura (manejo de bosques). Esto se debe a que los objetos se generan (extrude) desde la Tierra, lo cual es particularmente útil en estos ejemplos:
  • AVIACIÓN - Las obstrucciones de la pista en la zona de aproximación pueden ser examinadas con un DSM para asegurar que no haya colisiones.
  • GESTIÓN DE LA VEGETACIÓN - A lo largo de una línea de transmisión eléctrica, se superpone un DSM para ver dónde y cuánta vegetación está invadiendo.
  • OBSTRUCCIÓN VISUAL - Los planificadores urbanos usan los DSM para verificar cómo un edificio propuesto afectaría la vista de otros residentes y negocios.

PROCESOS PARA OBTENER DATOS DE ALTIMETRÍA
  • Topografía de terreno
  • Digitalización (Vectorización) de Curvas de Nivel de planos escaneados
  • Fotogrametría Digital - Restitución Fotogramétrica (muy usada con drones)
  • Imágenes raster GRID
  • LIDAR 
  • RADAR
  • SONAR
CONVERSIÓN ENTRE LOS FORMATOS DE LOS DATOS DE ALTIMETRÍA
Existen muchos software que permiten convertir entre los diferentes formatos de altimetría que existen actualmente.

FUENTE DE DATOS DE ALTIMETRÍA
Existen fuentes de datos de elevación gratuita y otras que hay que pagarlas.  A continuación muestro las principales:
PRODUCTOS QUE SE PUEDEN OBTENER DE UN DEM
De los DEM y sus equivalente, se pueden obtener diversos productos tales como Curvas de Nivel, Pendientes, Orientación, Curvatura y muchos otros.  Estos productos se obtienen generalmente con diferentes tipos de software como los SIG o los software de topografía digital y permiten hacer estudios que se aplican en muchos campos del conocimiento como se explica a continuación.

CAMPO DE APLICACIÓN DE LA ALTIMETRÍA Y SUS FORMAS DE REPRESENTACIÓN
En definitiva un MDT es pues una representación en falso 3D de la topografía (altimetría y/o batimetría) de una zona terrestre (o de un planeta telúrico) en una forma adaptada a su utilización mediante un computador que maneja datos digitales. Su campo uso es muy variado:
  • Extracción de los parámetros del terreno tales como: 
    • Curvas de nivel, 
    • Mapas de pendientes, 
    • Mapa de irregularidades del terreno, 
    • Mapas de elevaciones, 
    • Mapa de cauces y cursos de agua, 
    • Creación de modelos físicos (incluyendo creación de mapas de relieve).
    • Estudios de movimientos de masas de suelos (por ejemplo, para avalanchas y corrimientos de terreno).
    • Creación de Mapas en relieve.
    • Modelización de la escorrentía del agua, etc.
  • Trazados de perfiles topográficos.
  • Tratamiento de visualizaciones en 3D.
  • Planificación de vuelos en 3D.
  • Rectificación geométrica de fotografías aéreas o de imágenes satelitales.
  • Reducción (corrección del terreno) de las medidas de gravedad (gravimetría, geodesia física).
  • Los análisis del terreno en geomorfología y geografía física.
  • Estudios Hidrológicos
  • Sistemas de información geográfica (SIG).
  • Ingeniería y diseño de infraestructuras.
  • Sistemas globales de navegación por satélite (GNSS).
  • Análisis de la línea de mira.
  • Cartografía de base.
  • Simulación de vuelo.
  • Agricultura de precisión y gestión forestal.
  • Análisis de superficie.
  • Sistemas de transporte inteligentes.
  • Seguridad automotriz y sistemas avanzados de asistencia al conductor.
BATIMETRÍA
La batimetría es el equivalente submarino de la altimetría. En otras palabras, la batimetría es el estudio de las profundidades marinas, de la tercera dimensión de los fondos lacustres o marinos. Un mapa o carta batimétricos normalmente muestra el relieve del fondo o terreno como isogramas, y puede también dar información adicional de navegación en superficie.

 GEOMORFOMETRÍA
La Geomorfometría es la ciencia del análisis cuantitativo de la superficie terrestre, también conocido como la ciencia de la modelización y análisis de digital del terreno. La geomorfometría es la versión moderna de la cartografía enfocada a la topografía del suelo. Utiliza el análisis informático de la altura del terreno.Se basa en matemáticas, estadísticas y técnicas de procesamiento de imagen para cuantificar la forma de la topografía de la tierra en diferentes escalas espaciales. El foco de geomorfometría es el cálculo de las medidas de forma superficial (parámetros de la superficie de la tierra) y características (objetos), que puede ser utilizada para mejorar la asignación y el modelado de las formas terrestres, suelos, vegetación, uso del suelo, los riesgos naturales, y otros aspectos relacionados (www.geomorphometry.org).

BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL:

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