Geomorfometría

Geomorfometría, o geomorfometría (griego antiguo: γῆ, romanizado: gê, lit. 'tierra' + griego antiguo: μορφή, romanizado: morphḗ, lit. 'forma, figura' + griego antiguo: μέτρον, romanizado: métron, lit.  'medida'), es la ciencia y la práctica de medir las características del terreno, la forma de la superficie de la Tierra y los efectos de esta forma de la superficie en la geografía humana y natural. Reúne varias técnicas matemáticas, estadísticas y de procesamiento de imágenes que se pueden utilizar para cuantificar aspectos morfológicos, hidrológicos, ecológicos y otros de una superficie terrestre. Los sinónimos comunes para geomorfometría son análisis geomorfológico (de geomorfología), morfometría del terreno, análisis del terreno y análisis de la superficie terrestre. La geomorfometría es la disciplina basada en las medidas computacionales de la geometría, la topografía y la forma de los horizontes de la Tierra y su cambio temporal. Este es un componente importante de los sistemas de información geográfica (SIG) y otras herramientas de software para el análisis espacial.

En términos simples, la geomorfometría tiene como objetivo extraer parámetros de la superficie terrestre (morfométricos, hidrológicos, climáticos, etc.) y objetos (cuencas hidrográficas, redes fluviales, formas del terreno, etc.) utilizando un modelo digital de superficie terrestre (también conocido como modelo digital de elevación, DEM) y un software de parametrización. Los parámetros y objetos de la superficie extraídos se pueden utilizar, por ejemplo, para mejorar el mapeo y el modelado de suelos, vegetación, uso de la tierra, características geomorfológicas y geológicas y similares.

Con el rápido aumento de las fuentes de DEM en la actualidad (y principalmente debido a la Shuttle Radar Topography Mission y a los proyectos basados en LIDAR), la extracción de parámetros de la superficie terrestre se está volviendo cada vez más atractiva para numerosos campos que van desde la agricultura de precisión, el modelado de suelos y paisajes, las aplicaciones climáticas e hidrológicas hasta la planificación urbana, la educación y la investigación espacial. La topografía de casi toda la Tierra ha sido muestreada o escaneada hoy en día, de modo que los DEM están disponibles con resoluciones de 100 m o mejores a escala global. Hoy en día, los parámetros de la superficie terrestre se utilizan con éxito tanto para el modelado estocástico como para el basado en procesos, siendo el único problema restante el nivel de detalle y la precisión vertical del DEM.

Aunque la geomorfometría comenzó con las ideas de Brisson (1808) y Gauss (1827), el campo no evolucionó mucho hasta el desarrollo de los conjuntos de datos SIG y DEM en la década de 1970.

La geomorfología (que se centra en los procesos que modifican la superficie terrestre) tiene una larga historia como concepto y área de estudio, siendo la geomorfometría una de las disciplinas relacionadas más antiguas. La geomática es una subdisciplina de evolución más reciente, y aún más reciente es el concepto de geomorfometría. Este se ha desarrollado recientemente debido a la disponibilidad de software de sistemas de información geográfica (SIG) más flexible y capaz, así como de modelos digitales de elevación (MDE) de mayor resolución. Es una respuesta al desarrollo de esta tecnología SIG para recopilar y procesar datos MDE (por ejemplo, teledetección, el programa Landsat y la fotogrametría). Las aplicaciones recientes proceden a la integración de la geomorfometría con variables de análisis de imágenes digitales obtenidas por teledetección aérea y satelital. A medida que la red irregular triangulada (TIN) surgió como un modelo alternativo para representar la superficie del terreno, se desarrollaron algoritmos correspondientes para derivar mediciones a partir de ella.

Se pueden derivar varias mediciones básicas de la superficie del terreno, generalmente aplicando las técnicas del cálculo vectorial. Dicho esto, los algoritmos que se utilizan normalmente en SIG y otros programas utilizan cálculos aproximados que producen resultados similares en mucho menos tiempo con conjuntos de datos discretos que los métodos de función continua pura. Se han desarrollado muchas estrategias y algoritmos, cada uno con sus ventajas y desventajas.

El superficie normal en cualquier punto en la superficie del terreno es un rayo vectorial perpendicular a la superficie. El superficie gradiente ()${\displaystyle \nabla f}$) es el rayo vectorial que es tangente a la superficie, en la dirección de la pendiente más empinada cuesta abajo.

Pendiente o grado mide cuán empinado está el terreno en cualquier punto de la superficie, desviando de una superficie horizontal. En principio, es el ángulo entre el vector gradiente y el plano horizontal, dado ya sea como medida angular α (común en aplicaciones científicas) o como ratio ${\displaystyle p={\frac {rise}{run}}$, comúnmente expresado como porcentaje, tal p # α. Este último se utiliza con frecuencia en aplicaciones de ingeniería como la construcción de carreteras y ferrocarriles.

Para obtener la pendiente de un modelo de elevación digital ráster es necesario calcular una aproximación discreta de la derivada de la superficie en función de la elevación de una celda y las de las celdas que la rodean, y se han desarrollado varios métodos. Por ejemplo, el método de Horne, implementado en ArcGIS, utiliza la elevación de una celda y sus ocho vecinas inmediatas, espaciadas por el tamaño o la resolución de la celda r:

Las derivadas parciales se aproximan entonces como promedios ponderados de las diferencias entre los lados opuestos:

${\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft} ### {\fnMicroc}# {E_{NE}+2e_{E}-e_{NW}-2e_{W}-e_{SW} {8r}}}$

${\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\fnMicrosoft {\\fnMicrosoft} . {E_{NE}+2e_{N}+e_{NE}-e_{SW}-2e_{S}-e_{SW}{8r}}} {} {}} {}} {}} {}}} {}}} {}}} {}}}}}} {} {}}}}}}$

Luego se calcula la pendiente (en porcentaje) utilizando el teorema de Pitágoras:

${\displaystyle \tan \alpha ={\sqrt {\frac {\partial z}{\partial x}}})^{2}+({\frac {\partial z}{\partial y}}}}}}}}}} {}}}}}}} {\f}}}}} {\f}}}}}}}}}}}}}} {\$

La segunda derivada de la superficie (es decir, la curvatura) se puede obtener utilizando cálculos análogos similares.

La orientación del terreno en cualquier punto de la superficie es la dirección a la que se enfrenta la pendiente o la dirección cardinal de la pendiente descendente más pronunciada. En principio, es la proyección del gradiente sobre la pendiente horizontal. En la práctica, utilizando un modelo de elevación digital ráster, se aproxima utilizando uno de los mismos métodos de aproximación de derivadas parciales desarrollados para la pendiente. Luego, la orientación se calcula como:

${\displaystyle \tan \beta ={\frac {\frac {\partial z}{\partial Y... ♪♪$

Esto da como resultado un rumbo en sentido antihorario, con 0° al este.

Otro producto útil derivado de la superficie del terreno es una imagen de relieve sombreado, que aproxima el grado de iluminación de la superficie a partir de una fuente de luz que proviene de una dirección dada. En principio, el grado de iluminación es inversamente proporcional al ángulo entre el vector normal de la superficie y el vector de iluminación; cuanto mayor sea el ángulo entre los vectores, más oscuro será ese punto de la superficie. En la práctica, se puede calcular a partir de la pendiente α y el aspecto β, en comparación con una altitud φ y un acimut θ correspondientes de la fuente de luz:

${\displaystyle i=\cos \phi \cos \alpha +\sin \phi \sin \alpha \cos(\theta -\beta)}$

La imagen resultante rara vez resulta útil para fines analíticos, pero se utiliza más comúnmente como una visualización intuitiva de la superficie del terreno porque parece un modelo tridimensional iluminado de la superficie.

Las características naturales del terreno, como las montañas y los cañones, a menudo se pueden reconocer como patrones de elevación y sus propiedades derivadas. Los patrones más básicos incluyen lugares donde el terreno cambia abruptamente, como los picos (máximos de elevación local), los hoyos (mínimos de elevación local), las crestas (máximos lineales), los canales (mínimos lineales) y los pasos (las intersecciones de crestas y canales).

Debido a las limitaciones de resolución, orientación de ejes y definiciones de objetos, los datos espaciales derivados pueden dar significado con una observación subjetiva o una parametrización, o pueden procesarse alternativamente como datos difusos para manejar los diversos errores que contribuyen de manera más cuantitativa; por ejemplo, como una probabilidad general del 70 % de que un punto represente el pico de una montaña dados los datos disponibles, en lugar de una suposición fundamentada para lidiar con la incertidumbre.

En muchas aplicaciones, resulta útil saber cuánto varía la superficie en cada área local. Por ejemplo, puede ser necesario distinguir entre áreas montañosas y altas mesetas, ambas de gran altitud pero con diferentes grados de "irregularidad". El relieve local de una celda es una medida de esta variabilidad en el entorno circundante (normalmente las celdas dentro de un radio determinado), para lo cual se han utilizado varias medidas, incluidas estadísticas de resumen simples como el rango total de valores en el entorno, un rango intercuartil o la desviación estándar. También se han desarrollado fórmulas más complejas para capturar variaciones más sutiles.

El análisis cuantitativo de superficies mediante geomorfometría proporciona diversas herramientas para científicos y administradores interesados en la gestión de tierras. Las áreas de aplicación incluyen:

En muchas situaciones, el terreno puede afectar profundamente los entornos locales, especialmente en climas semiáridos y áreas montañosas. Esto incluye efectos bien conocidos como la zonificación altitudinal y el efecto de pendiente. Esto puede convertirlo en un factor significativo en el modelado y mapeo de microclimas, distribución de vegetación, hábitat de vida silvestre y agricultura de precisión.

Dado que el agua fluye cuesta abajo, las derivadas de la superficie del terreno pueden predecir el flujo fluvial superficial. Esto se puede utilizar para construir redes fluviales, delinear cuencas de drenaje y calcular la acumulación total de flujo.

Las montañas y otros accidentes geográficos pueden bloquear la visibilidad entre ubicaciones en lados opuestos. Predecir este efecto es una herramienta valiosa para aplicaciones tan variadas como las tácticas militares y la ubicación de estaciones base. Las herramientas comunes en el software de análisis de terreno incluyen el cálculo de la visibilidad de la línea de visión entre dos puntos y la generación de una cuenca visual, la región de todos los puntos visibles desde un único punto.

Muchos proyectos de construcción requieren una modificación significativa de la superficie del terreno, que incluye tanto la eliminación como la adición de material. Al modelar la superficie actual y la diseñada, los ingenieros pueden calcular el volumen de cortes y rellenos, y predecir posibles problemas como la estabilidad de la pendiente y el potencial de erosión.

Como rama relativamente nueva y desconocida de los SIG, la geomorfometría cuenta con pocas figuras pioneras "famosas", como es el caso de otros campos como la hidrología (Robert Horton) o la geomorfología (G. K. Gilbert). En el pasado, la geomorfometría se ha utilizado en muchos estudios (incluidos algunos artículos geomorfológicos de alto perfil escritos por académicos como Evans, Leopold y Wolman). Sin embargo, solo recientemente los profesionales de los SIG han comenzado a integrarla en su trabajo. No obstante, cada vez la utilizan más investigadores como Andy Turner y Joseph Wood.

Las grandes instituciones están desarrollando cada vez más aplicaciones geomorfométricas basadas en SIG. Un ejemplo es la creación de un paquete de software basado en Java para morfometría en asociación con la Universidad de Leeds.

Las instituciones académicas dedican cada vez más recursos a la formación en geomorfometría y a cursos específicos, aunque estos todavía se limitan a unas pocas universidades y centros de formación. Los más accesibles en la actualidad incluyen una biblioteca de recursos de geomorfometría en línea en colaboración con la Universidad de Leeds y conferencias y prácticas impartidas como parte de módulos SIG más amplios, los más completos en la actualidad se ofrecen en la Universidad de Columbia Británica (supervisada por Brian Klinkenberg) y en la Universidad de Dalhousie.

El siguiente software informático tiene módulos o extensiones de análisis de terreno especializados (enumerados en orden alfabético):

• ANUDEM
• ArcGIS (Extensión de Analista Espacial)
• GIS GRASS (r.param.scale, r.slope.aspect, etc.)
• ILWIS
• LandSerf
• SAGA GIS (módulos de análisis de terrainas)
• Herramientas de Análisis Geoespacial de Whitebox (Análisis de Terraina, Análisis de LiDAR, Herramientas Hidrológicas y módulos de Análisis de Redes de Stream)

• Modelo de Elevación Digital – Imágenes y mediciones de terreno generadas por ordenador en 3DPáginas que muestran descripciones cortas de objetivos redireccionados
• Geografía – Estudio de tierras y habitantes de la Tierra
• Geomática – Disciplina de datos geográficos
• Geometría – Rama de las matemáticas
• Sistema de información geográfica – Sistema para capturar, gestionar y presentar datos geográficos
• Geomorfología – Estudio científico de las formas de tierra
• Landforms – Característica de la superficie sólida de un cuerpo planetarioPáginas que muestran descripciones cortas de objetivos redireccionados
• Programa Landsat – Red Americana de satélites de observación de la Tierra con fines de investigación internacional
• Morfometría – Estudio cuantitativo de tamaño y formaPáginas que muestran descripciones cortas de objetivos redireccionados
• Fotogrametría – Tomando medidas utilizando fotografía
• Teleobservación – Adquisición de información a una distancia significativa del tema
• Modelización científica – Actividad científica que produce modelos
• Topografía – Estudio de las formas de superficies terrestres

• Mark,D.M. (1975) Parámetros geomorfométricos: una revisión y evaluación Geográficos Annals, 57, (1); pp 165–177
• Miller, C.L. y Laflamme, R.A. (1958): La aplicación Digital Terrain Model-Theory & The. MIT Laboratorio de Fotogrametría.
• Pike, R. J. Geomorfometría –- progreso, práctica y perspectiva. Zeitschrift für Geomorfologie Supplementband 101 (1995): 221-238.
• Pike, R.J., Evans, I., Hengl, T., 2008. Geomorfometría: Una breve guía Archived 2016-03-03 en la máquina Wayback. En: Geomorfometría - Conceptos, Software, Aplicaciones, Hengl, T. and Hannes I. Reuter (eds.), Series Developments in Soil Science vol. 33, Elsevier, pp. 3–33, ISBN 978-0-12-374345-9
• Hengl, Tomislav; Reuter, Hannes I., eds. (2009). Geomorfometría: conceptos, software, aplicaciones. Amsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-12-374345-9.

• www.geomorphometry.org - una asociación no comercial de investigadores y expertos.
• Una extensa revisión de la bibliografía de la literatura geomorfometría por Richard J. Pike (informe 02-465)
• [2] - Universidad de Leeds - escuela de Geografía, página de inicio geomorfométrico
• [3] - ejemplo de la producción geomorfométrica desarrollada por la Universidad de Leeds con parámetros de procesamiento y resolución
• [4] - Universidad de Columbia Británica - departamento de Geografía
• [5] - Universidad Dalhousie - módulo de geomorfología y evolución del paisaje