MODELOS DIGITALES DE TERRENO INTRODUCCIÓN Las cotas del terreno son uno de los componentes de mayor importancia en los trabajos topográficos. Si queremos representar sobre un plano la topografía de un sector del terreno, nada mejor que las curvas de nivel. Si descartamos los métodos fotogramétricos y por sensores remotos, la captura de datos en campaña se puede realizar por medio de nivel óptico, teodolito o estación total y por ultimo debemos agregar los receptores GPS del tipo geodésicos. Los métodos con instrumental topográfico convencional se encuentran explicados en cualquier buen libro de topografía pero el caso del trabajo con GPS es más novedoso y exige mayor atención ya que por ser muy expeditivo y encontrarse en pleno desarrollo es el que presenta mejores perspectivas futuras. Concepto de modelo. Un modelo es un objeto, concepto o conjunto de relaciones que se utiliza para representar y estudiar de forma simple y comprensible una porción de la realidad empírica. De la definición se deduce que la versión de la realidad que se realiza a través de un modelo pretende reproducir solamente algunas propiedades del objeto o sistema original que, por lo tanto, se ve representado por otro objeto de menor complejidad. Los modelos se construyen estableciendo una relación de correspondencia con la realidad cuyas variantes pueden producir representaciones de características notablemente diferentes. Modelos digitales del terreno (MDT). Los modelos digitales del terreno o MDT son, una categoría de modelos simbólicos que ha nacido y se ha desarrollado al amparo de las nuevas tecnologías digitales, en los que las relaciones de correspondencia que se establecen con el objeto real tienen la forma de algoritmos o formalismos matemáticos. Los modelos digitales del terreno se han definido como un conjunto de datos numéricos que describe la distribución espacial de una característica del territorio. La definición anterior aporta algunos aspectos nuevos a la acepción más general de modelo presentada en el apartado anterior. Por un lado, se añade la característica de que los modelos que van a ser tratados son digitales, expresión que los diferencia de los modelos analógicos. En los modelos digitales del terreno, las relaciones de correspondencia que se establecen con el objeto tienen la forma de algoritmos o formalismos matemáticos. En este caso, los MDT presentan algunas ventajas sobre el resto de tipos de modelos, derivadas de su naturaleza numérica: no-ambigüedad, posibilidad de modelización de procesos con una deducción estricta, verificabilidad y repetibilidad de los resultados. La diferencia básica entre los modelos digitales y los modelos analógicos reside en que los primeros están codificados en cifras, lo que permite su tratamiento por medios informáticos. Para llegar a la elaboración de los modelos digitales es necesario, por tanto, efectuar un proceso de codificación de la información, que permite una representación virtual en forma de cifras. Las relaciones espaciales o las características que se desean representar se traducen a diferentes tipos de estructuras numéricas (vectores, matrices, conjuntos, etc.) o a expresiones matemáticas que expresan relaciones topológicas y funcionales. Una maqueta, como modelo icónico, también constituye un modelo analógico de la realidad, en el que se da una especial importancia a la conservación de las proporciones o relaciones espaciales relativas. Un mapa convencional es otro modelo analógico más sofisticado en el que se establecen unas relaciones especiales de simbolización que permiten la reducción de una realidad tridimensional a un modelo de dos dimensiones. -1 -
Introduciremos en la definición de MDT dos condiciones suplementarias. La primera es que debe existir una estructura interna que represente las relaciones espaciales entre los datos. La segunda es que la variable representada en el modelo debe ser cuantitativa y de distribución continua. Con ello se excluyen las variables cualitativas, representadas habitualmente mediante recintos y, de forma general, las variables representadas por entidades lineales o puntuales (como, por ejemplo, una red hidrológica). En orden a estas condiciones podemos ensayar otra definición de MDT más completa que las anteriores: un MDT es una estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de una variable cuantitativa y continua. Los MDT toman la forma de estructuras de datos, lo que significa que no son sólo una acumulación o listado de cifras sino que su construcción debe realizarse de acuerdo con una estructura interna. Esta estructura se refleja en la forma lógica en el sentido informático de almacenar y vincular las unidades de información datos entre sí, que debe representar de alguna forma las relaciones espaciales entre los datos. Esta condición implica, por ejemplo, que un simple listado de coordenadas acompañadas por su altitud no puede considerarse propiamente un MDT, aunque contenga toda la información necesaria para construirlo ya que no existe una estructura interna y se hace necesario un proceso de los datos para hacerla utilizable en la modelización. En segundo lugar, los MDT representan la distribución espacial de una variable; lo que acota claramente su ámbito de actuación en la modelización de fenómenos geográficos. Finalmente, la definición indica que la variable representada en el MDT debe ser cuantitativa y de distribución continua. Este punto separa conceptualmente los mapas temáticos de los MDT, ya que se excluyen las variables nominales, representadas habitualmente mediante recintos con un identificador o código interno y, de forma general, las variables representadas por entidades lineales o puntuales. La definición general de MDT no hace referencia explícita a la variable representada que, por tanto, puede ser cualquiera que cumpla con los requisitos de la misma. Este aspecto, aunque en principio pueda parecer evidente, debe ser destacado ya que es habitual identificar los MDT con los MDE o modelos digitales de elevaciones cuando, en realidad, pueden ser representadas muchas otras propiedades del terreno. Para diferenciar claramente qué variable se está representando en el modelo denominaremos los modelos digitales de forma explícita, de acuerdo con la propiedad representada modelo digital de pendientes, por ejemplo y reservaremos el término MDT para la denominación genérica. Modelos Digitales de Elevaciones (MDE). El MDE es una estructura numérica de datos almacenada en formato digital, que representa geométricamente en 3D, la distribución espacial de la altitud de la superficie del terreno. Como la altitud es una variable cuantitativa y continua los MDE no son más que un caso particular de MDT en el que la variable considerada es la altura. Las curvas de nivel se utilizan para visualizar el Modelo Digital del Terreno sobre un plano de proyección ortometrica. Debemos entender, que siempre nos referimos a una representación o modelo del terreno. Por lo tanto, la representación de la superficie topográfica mediante un MDT es solo una aproximación al hecho físico real. Entonces, pueden existir distintos MDT que representan mejor que otros una misma -2 -
porción de la superficie natural de la corteza terrestre. A continuación damos una clasificación resumida de los factores que influyen en la mejor semejanza entre una representación por plano de curvas de nivel y la superficie real que se pretende estudiar o representar. TABLA 1 FACTORES DE CALIDAD 1- La calidad (precisión) de las coordenadas que se relevaron en el terreno, especialmente en cota. 2- La cantidad y la correcta distribución de los puntos relevados en el terreno para obtener una población de datos significativos y al mismo tiempo representativos. 3- El método de interpolación utilizado para realizar el MDT (software, algoritmo de interpolación como por ejemplo, Kriging, Shepard, TIN, etc.) 4- El valor de suavizado para transformar las rectas que unen puntos de igual cota en curvas de nivel. 5- El valor de máxima y mínima cota de toda la población o nube de puntos disponibles y su relación con la equidistancia y escala planimetrica seleccionada para la representación de las curvas de nivel. Estructuras de datos en el MDE. De forma general, la unidad básica de información en un MDE es un valor de altitud, z, al que acompañan los valores correspondientes de x e y, expresados en un sistema de proyección geográfica para una precisa referenciación espacial. Las variantes aparecen cuando se definen las interrelaciones entre estas unidades elementales de información. Mientras que los mapas convencionales usan casi exclusivamente una única convención (las curvas de nivel) para la representación de la superficie del terreno, los MDE disponen de alternativas más variadas, desde una transposición casi directa de las Curvas de nivel hasta otras menos habituales en la cartografía impresa, pero más adaptadas al proceso digital. En todas ellas la altitud se describe básicamente mediante un conjunto finito y explícito de cotas. El valor propio de un punto de localización arbitraria será, en su caso, estimado por interpolación a partir de los datos de su entorno. Captura de datos Los métodos básicos para la conseguir los datos de altitudes pueden dividirse en dos grupos: A.- Métodos directos: Medida directa de la altitud sobre el terreno real (fuentes primarias). 1. Altimetría: altímetros radar o láser transportados por plataformas aéreas o satélites 2. GPS: global positioning system, sistema de localización por triangulación 3. Levantamiento topográfico: estaciones topográficas con salida digital B. Métodos indirectos: Medida estimada a partir de documentos previos (fuentes secundarias) I). Restitución a partir de pares de imágenes 1. Estereo-imágenes digitales: imágenes tomadas por satélites 2. Estereo-imágenes analógicas: imágenes fotográficas convencionales 3. Interferometría radar: imágenes de interferencia de sensores radar II). Digitalización de mapas topográficos 1. Automática: mediante escáner y vectorización 2. Manual: mediante tablero digitalizador -3 -
Surfer Un paquete de mapeo, grillado, trazado de contornos y superficies. - Surfer es un programa que traza contornos y superficies 3D, corre bajo Microsoft Windows y tiene capacidades extensivas de modelado variográmico. Este Programa convierte rápida y fácilmente los datos en contornos y curvas de nivel, Blocks Diagramas, vectores, imágenes, relieves sombreados, y mapas acotados. Pueden personalizarse virtualmente todos aspectos de sus mapas para producir exactamente la presentación que se desea. Mapas de Curvas de Nivel Surfer contour maps Brinda un completo control sobre todos los parámetros de mapeo. Se puede aceptar los parámetros inteligentes por defecto de Surfer para crear un mapa de Curvas de Nivel automáticamente o hacer doble click en el mapa para configurar fácilmente las prestaciones de mapeo. Muestra Mapas de Curvas de Nivel dentro de un rango y de una equidistancia o especifica solo los niveles que desea visualizar en el mapa. También se puede agregar relleno de color entre curvas o rellenar con escalas de gris para obtener impresiones contrastadas en Blanco y Negro. -4 -
Blocks Diagramas y superficies 3D Surfer wireframe maps proporciona una vista tridimensional de la información. Con uso de zonas coloreadas, escalas independientes en X, Y, Z, proyecciones ortográficas o perspectivas con cualquier inclinación o ángulo de rotación, y diferentes combinaciones de líneas X, Y y Z para producir exactamente la superficie deseada. Mapas de Vectores Un mapa de vectores muestra la magnitud y dirección de los datos en diferentes localizaciones dentro de la superficie del mapa. Se puede crear mapas de vectores a partir de la información de una o de dos grillas (Grid) separadas. Los dos componentes de un mapa de vectores, dirección y magnitud son generados automáticamente desde una grilla simple mediante el cómputo de los gradientes de la superficie representada. De cada nodo de la grilla se determina la dirección de máxima inclinación y su magnitud. La dirección de las flechas cambia de nodo en nodo en función de la información contenida en cada uno. La magnitud de las flechas cambia en función de la intensidad de la pendiente. Los mapas de vectores de dos grillas usan dos grillas independientes para determinar la dirección y magnitud de los vectores. Las Grillas pueden contener Coordenadas cartesianas o polares. Con coordenadas cartesianas una grilla consiste en datos con el componente X y la otra grilla consiste en los de Y. Con coordenadas polares una Grilla consiste en la información angular y la otra contiene información de distancias. Superponer mapas de vectores con mapas de curves de nivel (contornos) o con mapas de malla de alambre (wireframe) da por resultado presentaciones muy acabadas y explícitas. Un Mapa de vectores del Monte Santa Helena Superpuesto a un mapa de contornos. Se usa una referencia o leyenda y una barra de color como escala para indicar la magnitud de las flechas. -5 -
Un mapa vectorial de Jay Peak, Vt. Superpuesto aun mapa de malla de alambre. Mapas de Imágenes Los Mapas de imágenes en Surfer utilizan diferentes colores para representar las elevaciones del archivo grillado (Grid). Se crean Mapas de imágenes usando algún archivo de grilla: GRD, DEM, DDF, HDR. Surfer automáticamente calcula los colores como porcentajes de los valores extremos estableciendo una gradación de colores sobre el mapa.... -6 -
Mapas de Sombreado (Shaded Relief maps) Los Mapas de Sombreado se crean a partir de archivos de grilla (.GRD) o archivos USGS DEM. Estos mapas usan distintos colores para indicar pendientes y diferencias de alturas y sus direcciones relativas en función de una fuente de luz definida previamente por el usuario. Surfer calcula la orientación de cada celda de la grilla y asigna un color o grado de iluminación a cada una de ellas. Mapas de Puntos Los mapas de puntos muestran las posiciones de cada par X, Y con tamaño fijo o con símbolos proporcionales y escalas de colores. Uso de mapas e puntos para visualizar la posición de los datos. -7 -
Se usan diferentes símbolos para mostrar diferentes rangos de datos en mapas de puntos. Aquí el mapa está superpuesto con un mapa de malla de alambre y se han añadido leyendas 3D elevando los símbolos sobre la superficie del terreno. Mapas Base En una página se pueden cargar e importar mapas en muy diversos formatos como: DXF, BLN, WMF, TIF, PCX, LGO, BMP, BNA, GSB, PLT, CLP, TGA, PCX, DLG, LGS, SHP, MIF, JPG, PNG, DCX, WPG, PCT, USGS SDTS DDF y otros. Se puede combinar mapas base con otros mapas en capas o crear solamente un mapa base independientemente de otra información. -8 -
Mapas Superpuestos Se pueden combinar mapas de contorno (Curvas de Nivel), de malla de alambre, vectoriales, base y de puntos. -9 -