Modelo digital de terreno

Un Modelo digital de terreno (MDT) o modelo digital de elevaciones es una representación de gráficos por computadora en 3D de datos de elevación para representar el terreno, 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 y son la base más común para los mapas de relieve producidos digitalmente.

Si bien un modelo de superficie digital (DSM) puede ser útil para modelado de paisajes, modelado de ciudades y aplicaciones de visualización, a menudo se requiere un modelo de terreno digital (DTM) para modelado de inundaciones o drenaje, estudios de uso de la tierra, aplicaciones geológicas y otras aplicaciones, y en ciencia planetaria.

Terminología

No existe un uso universal de los términos modelo de elevación digital (DEM), modelo de terreno digital (DTM) y modelo de superficie digital (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 de terreno digital (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, que 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, definen el DEM como un subconjunto del DTM, que también representa otros elementos morfológicos, o definen un DEM como una cuadrícula rectangular y un DTM como un modelo tridimensional (ESTAÑO). 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

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

El modelo de elevación digital en sí consiste en 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 color falso (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 utilizando "exageración vertical" para que las diferencias sutiles de elevación sean más notables. Algunos científicos, sin embargo, se oponen a 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 (como el instrumentación SRTM), recopilan suficientes datos para generar un mapa de elevación digital de decenas de kilómetros de lado con una resolución de alrededor de 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 porción 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

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

• LIDAR
• Radar
• Fotogrametría estereoscópica a partir de levantamientos aéreos
  • Estructura a partir del movimiento / Estéreo multivista aplicado a la fotografía aérea
• Ajuste de bloques a partir de imágenes satelitales ópticas
• Interferometría a partir de datos de radar
• GPS cinemático en tiempo real
• Mapas topográficos
• Teodolito o estación total
• radar doppler
• Variación de enfoque
• Levantamientos inerciales
• Drones topográficos y cartográficos
• Rango de imágenes

Exactitud

La calidad de un DEM es una medida de qué tan precisa es la elevación en cada píxel (precisión absoluta) y qué tan precisa es 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 cuadrícula o tamaño de píxel;
• algoritmo de interpolación;
• resolución vertical;
• algoritmo de análisis del terreno;
• Los productos 3D de referencia incluyen máscaras de calidad que brindan información sobre la costa, el lago, la nieve, las nubes, la correlación, etc.

Usos

Los usos comunes de los DEM incluyen:

• Extracción de parámetros del terreno para geomorfología
• Modelado del flujo de agua para hidrología o movimiento de masas (por ejemplo, avalanchas y deslizamientos de tierra)
• Modelado de la humedad de los suelos con índices cartográficos de profundidad de agua (índice DTW)
• Creación de mapas en relieve.
• Renderización de visualizaciones 3D.
• Planificación de vuelos 3D y TERCOM
• Creación de modelos físicos (incluidos mapas de relieve en relieve y modelos de terreno impresos en 3D)
• Rectificación de fotografías aéreas o imágenes satelitales
• Reducción (corrección del terreno) de las medidas de gravedad (gravimetría, geodesia física)
• Análisis del terreno en geomorfología y geografía física
• Sistemas de información geográfica (SIG)
• Ingeniería y diseño de infraestructura
• Navegación por satélite (por ejemplo, GPS y GLONASS)
• Análisis de línea de visión
• Mapeo base
• Simulación de vuelo
• Simulación de tren
• Agricultura de precisión y silvicultura
• Análisis de superficie
• Sistemas inteligentes de transporte (ITS)
• Seguridad del automóvil/sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS)
• Arqueología

Fuentes

Global

Está disponible un DEM gratuito de todo el mundo llamado GTOPO30 (resolución de 30 segundos de arco, c. 1 km a lo largo del ecuador), pero su calidad es variable y en algunas áreas es muy pobre. Un DEM de mucha mayor calidad del instrumento ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) del satélite Terra también está disponible gratuitamente para el 99% del globo y representa la elevación a una resolución de 30 metros. Anteriormente, una resolución similarmente alta solo estaba disponible para el territorio de los Estados Unidos bajo los datos de la Misión topográfica de radar del transbordador (SRTM), mientras que la mayor parte del resto del planeta solo estaba cubierto en una resolución de 3 segundos de arco (alrededor de 90 metros a lo largo del ecuador). SRTM no cubre las regiones polares y tiene áreas montañosas y desérticas sin datos (vacías). Datos SRTM, derivados del radar, representa la elevación de la primera superficie reflejada, muy a menudo las copas de los árboles. Por lo tanto, los datos no son necesariamente representativos de la superficie del suelo, sino de la parte superior de lo que sea que encuentre primero el radar.

Los datos de elevación submarina (conocidos como batimetría) se generan utilizando sondeos de profundidad montados en barcos. Cuando se combina la topografía terrestre y la batimetría, se obtiene un modelo de relieve verdaderamente global. El conjunto de datos SRTM30Plus (utilizado en NASA World Wind) intenta combinar GTOPO30, SRTM y datos batimétricos para producir un modelo de elevación verdaderamente global. Topografía global y modelo de relieve Earth2014proporciona cuadrículas de topografía en capas con una resolución de 1 minuto de arco. Además de SRTM30plus, Earth2014 proporciona información sobre la altura de las capas de hielo y el lecho rocoso (es decir, la topografía debajo del hielo) sobre la Antártida y Groenlandia. Otro modelo global es Global Multi-solution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) con una resolución de 7,5 segundos de arco. Se basa en datos SRTM y combina otros datos fuera de la cobertura SRTM. Se espera un DEM global novedoso de publicaciones de menos de 12 m y una precisión de altura de menos de 2 m de la misión del satélite TanDEM-X que comenzó en julio de 2010.

El espaciado de cuadrícula (ráster) más común es de 50 a 500 metros. En gravimetría, por ejemplo, la cuadrícula primaria puede ser de 50 m, pero se cambia a 100 o 500 metros en distancias de unos 5 o 10 kilómetros.

Desde 2002, el instrumento HRS en SPOT 5 ha adquirido más de 100 millones de kilómetros cuadrados de pares estéreo utilizados para producir un DEM en formato DTED2 (con una publicación de 30 metros) en formato DEM DTED2 a lo largo de 50 millones de km. MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. ha utilizado el satélite de radar RADARSAT-2 para proporcionar DEM a clientes comerciales y militares.

En 2014, las adquisiciones de los satélites de radar TerraSAR-X y TanDEM-X estarán disponibles en forma de cobertura global uniforme con una resolución de 12 metros.

ALOS proporciona desde 2016 un DSM global de 1 segundo de arco sin cargo y un DSM/DTM comercial de 5 metros.

Local

Muchas agencias nacionales de cartografía producen sus propios DEM, a menudo de mayor resolución y calidad, pero con frecuencia estos deben comprarse y el costo suele ser prohibitivo para todos, excepto para las autoridades públicas y las grandes corporaciones. Los DEM son a menudo un producto de los programas nacionales de conjuntos de datos lidar.

Los DEM gratuitos también están disponibles para Marte: el MEGDR, o registro de datos cuadriculados del experimento de la misión, del instrumento Mars Global Surveyor's Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA); y el modelo de terreno digital de Marte (DTM) de la NASA.

Sitios web

OpenTopography es un recurso comunitario basado en la web para acceder a datos topográficos de alta resolución orientados a las ciencias de la Tierra (datos LIDAR y DEM) y herramientas de procesamiento que se ejecutan en un sistema informático básico y de alto rendimiento junto con recursos educativos. OpenTopography tiene su sede en el Centro de Supercomputación de San Diego en la Universidad de California en San Diego y se opera en colaboración con colegas de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona y UNAVCO. El soporte operativo central para OpenTopography proviene de la Fundación Nacional de Ciencias, División de Ciencias de la Tierra.

OpenDemSearcher es un Mapclient con una visualización de regiones con DEM de media y alta resolución disponibles de forma gratuita.