Modelo de elevación digital

3D rendering of a DEM of Tithonium Chasma on Mars

Un modelo digital de elevación (DEM) o modelo digital de superficie (DSM) es un gráfico 3D por computadora representación de datos de elevación para representar terreno u objetos superpuestos, comúnmente de un planeta, luna o asteroide. Un "DEM global" se refiere a una cuadrícula global discreta. Los DEM se utilizan a menudo en los sistemas de información geográfica (GIS) y son la base más común para los mapas de relieve producidos digitalmente. Un modelo de terreno digital (DTM) representa específicamente la superficie del suelo, mientras que DEM y DSM pueden representar copas de árboles o techos de edificios.

Si bien un DSM puede ser útil para el modelado de paisajes, el modelado de ciudades y las aplicaciones de visualización, a menudo se requiere un DTM para el modelado de inundaciones o drenaje, estudios de uso del suelo, aplicaciones geológicas y otras aplicaciones, y en ciencia planetaria.

Terminología

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

No existe un uso universal de los términos modelo digital de elevación (DEM), modelo digital del terreno (DTM) y modelo digital de superficie (DSM) en la literatura científica. En la mayoría de los casos, el término modelo de superficie digital representa la superficie de la tierra e incluye todos los objetos en ella. A diferencia de un DSM, el modelo digital del terreno (DTM) representa la superficie del suelo desnudo sin ningún objeto como plantas y edificios (ver la figura de la derecha).

DEM se usa a menudo como un término genérico para DSM y DTM, y solo representa información de altura sin ninguna definición adicional sobre la superficie. Otras definiciones igualan los términos DEM y DTM, igualan los términos DEM y DSM, definir el DEM como un subconjunto del DTM, que también representa otros elementos morfológicos, o definir un DEM como una cuadrícula rectangular y un DTM como un modelo tridimensional (TIN). La mayoría de los proveedores de datos (USGS, ERSDAC, CGIAR, Spot Image) utilizan el término DEM como término genérico para DSM y DTM. Algunos conjuntos de datos como SRTM o ASTER GDEM son originalmente DSM, aunque en áreas boscosas, SRTM alcanza la copa de los árboles dando lecturas entre un DSM y un DTM). Es posible estimar un DTM a partir de conjuntos de datos DSM de alta resolución con algoritmos complejos (Li et al., 2005). A continuación, el término DEM se utiliza como término genérico para DSM y DTM.

Tipos

Plantilla de la superficie de la Tierra (incluido el agua y el hielo), hecha como proyección equirectangular con elevaciones indicadas como grayscale normalizado de 8 bits, donde los valores más ligeros indican elevación superior

Un DEM se puede representar como un ráster (una cuadrícula de cuadrados, también conocida como mapa de altura cuando representa la elevación) o como una red triangular irregular (TIN) basada en vectores. El conjunto de datos TIN DEM también se denomina DEM primario (medido), mientras que el DEM ráster se denomina DEM secundario (computado). El DEM podría adquirirse 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 detección remota, pero también se pueden construir a partir de topografía.

Representación

Mapa de relieve de la Sierra Nevada de España, mostrando el uso de la sombra y el falso color como herramientas de visualización para indicar la elevación

El modelo de elevación digital en sí consta de una matriz de números, pero los datos de un DEM a menudo se representan en forma visual para que sean comprensibles para los humanos. Esta visualización puede tener la forma de un mapa topográfico contorneado, o podría usar sombreado y asignación de colores falsos (o "pseudo-color") para representar las elevaciones como colores (por ejemplo, usando verde para las elevaciones más bajas, sombreado en rojo, con blanco para la elevación más alta).

En ocasiones, las visualizaciones también se realizan como vistas oblicuas, reconstruyendo una imagen visual sintética del terreno tal como aparecería mirando hacia abajo en un ángulo. En estas visualizaciones oblicuas, las elevaciones a veces se escalan usando "exageración vertical" para hacer que las sutiles diferencias de elevación sean más notorias. Algunos científicos, sin embargo, objete la exageración vertical por confundir al espectador sobre el verdadero paisaje.

Producción

Los cartógrafos pueden preparar modelos digitales de elevación de varias maneras, pero con frecuencia utilizan sensores remotos en lugar de datos topográficos directos.

Los métodos más antiguos para generar DEM a menudo implican la interpolación de mapas de contorno digitales que pueden haber sido producidos mediante un estudio directo de la superficie terrestre. Este método todavía se usa en áreas 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 levantamiento topográfico) no son DEM, pero pueden considerarse modelos digitales del terreno. Un DEM implica que la elevación está disponible continuamente en cada ubicación en el área de estudio.

Mapeo satelital

Una técnica poderosa para generar modelos digitales de elevación es el radar interferométrico de apertura sintética 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 (al igual que la instrumentación SRTM), recopila datos suficientes para generar un mapa de elevación digital de decenas de kilómetros de lado con una resolución de unos diez metros. Se pueden emplear otros tipos de pares estereoscópicos usando el método de correlación de imágenes digitales, donde se adquieren dos imágenes ópticas con diferentes ángulos tomadas del mismo paso de un avión o un Satélite de Observación de la Tierra (como el instrumento HRS de SPOT5 o la banda VNIR de ASTER).

El satélite SPOT 1 (1986) proporcionó los primeros datos de elevación utilizables para una parte considerable de la masa terrestre del planeta, utilizando correlación estereoscópica de dos pasos. Más tarde, el Satélite Europeo de Detección Remota (ERS, 1991) proporcionó más datos usando el mismo método, la Misión de Topografía de Radar del Transbordador (SRTM, 2000) usando SAR de un solo paso y el Radiómetro de Reflexión y Emisión Térmica Espacial Avanzado (ASTER, 2000) instrumentación en el satélite Terra utilizando pares estéreo de doble paso.

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

Mapeo planetario

Modelo de elevación digital MOLA que muestra los dos hemisferios de Marte. Esta imagen apareció en la cubierta de Ciencia revista en mayo de 1999.

Una herramienta de valor creciente 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 por radar. Los mapas de elevación digital planetaria hechos con altimetría láser incluyen el mapeo del altímetro láser del orbitador de Marte (MOLA) de Marte, el altímetro láser orbital lunar (LOLA) y el altímetro lunar (LALT) de la Luna, y el altímetro láser de mercurio (MLA) de Mercurio. En el mapeo planetario, cada cuerpo planetario tiene una superficie de referencia única.

Métodos para obtener datos de elevación utilizados para crear DEM

Gatewing X100 vehículo aéreo no tripulado

• Lidar
• Radar
• Fotogrametría estereo de encuestas aéreas
  • Estructura del movimiento / Multi-view estéreo aplicado a la fotografía aérea
• Ajuste del bloque de las imágenes ópticas por satélite
• Interferometría de los datos de radar
• GPS Kinematic en tiempo real
• Mapas topográficos
• Estación Theodolite o total
• radar Doppler
• Variación focal
• Encuestas inerciales
• Investigación y cartografía de drones
• Imágenes de alcance

Precisión

La calidad de un DEM es una medida de la precisión de la elevación en cada píxel (precisión absoluta) y la precisión de la morfología presentada (precisión relativa). La evaluación de la calidad de DEM se puede realizar mediante la comparación de DEM de diferentes fuentes. Varios factores juegan un papel importante en la calidad de los productos derivados de DEM:

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

Usos

Modelo de Elevación Digital - Rocas Rojas Amphitheater, Colorado obtenido usando un UAV

Aeródromo de Bezmiechowa Modelo de superficie digital 3D obtenido utilizando Pteryx UAV volando 200 m sobre la cima de la colina

Modelo de superficie digital del sitio de construcción de intercambio de autopistas. Tenga en cuenta que los túneles están cerrados.

Ejemplo DEM voló con el Gatewing X100 en Assenede

Digital Terrain Model Generator + Textures(Maps) + Vectores

Los usos comunes de los DEM incluyen:

• Extracción de parámetros de terreno para geomorfología
• Modelar el flujo de agua para la hidrología o el movimiento de masas (por ejemplo, avalanchas y deslizamientos)
• Modelo de suelos de humedad con profundidad cartográfica a índices de agua (DTW-index)
• Creación de mapas de socorro
• Rendering of 3D visualizations.
• Planificación de vuelos en 3D y TERCOM
• Creación de modelos físicos (incluyendo mapas de relieve elevados y modelos de terreno impresos en 3D)
• Rectificación de fotografía aérea o imágenes satelitales
• Reducción (corrección terrestre) de las mediciones de gravedad (gravimetría, geodesia física)
• Análisis de la tierra en geomorfología y geografía física
• Sistemas de información geográfica (SIG)
• Diseño de ingeniería e infraestructura
• Navegación por satélite (por ejemplo GPS y GLONASS)
• Análisis de la línea de visión
• Cartografía de la base
• simulación de vuelo
• simulación de trenes
• Agricultura de precisión y silvicultura
• Análisis superficial
• Sistemas de transporte inteligentes
• Seguridad automática / sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS)
• Arqueología