Modelo de superficies: Procesamiento de modelos digitales de terreno

El Objetivo de esta nota técnica es presentar operaciones básicas que se realizan en un modelo digital de terreno (MDT), y su uso. Primeramente se distinguirá entre los tipos de modelos de superficie,  enfocándose en los relacionados a la representación del relieve, se presentarán ejemplos de operaciones básicas, su obtención  desde el software QGIS y se mencionarán su usos mas comunes.

Un modelo de superficie es una superficie continua que se deriva a partir de una serie de observaciones discretas, es decir, es un tipo de mapa que obtenemos a través de unas muestras puntuales localizadas en algún punto o lugar, por ejemplo, un modelo de elevaciones MDE sería un ejemplo de modelo de superficie, ya que a través de datos puntuales como puedan ser los puntos altimétricos y curvas de nivel

de un lugar, podemos recrear el relieve de dicha zona. Otro ejemplo seria la superficie obtenida de la interpolación de datos de estaciones meteorológicas de medición de temperatura, humedad, presión, viento o precipitación.

Los modelos digitales de elevación relacionados a la superficie terrestre abarcan los Modelos Digitales de Superficie (MDS) y los Modelos Digitales del Terreno (MDT). Los primeros son el Modelo Digital con Obstáculos, se representa la superficie más elevada sobre el terreno, sea de origen natural (suelo, vegetación,…) o artificial (edificaciones, postes, etcétera); en cambio el MDT es es el modelo digital referido al terreno, sin obstáculos como bosques o edificaciones.

Figura. 1. Ejemplo de Modelo Digital de Supeficie

Figura. 2. Ejemplo de Modelo de Digital de Terreno Fuente: https://pnoa.ign.es/

Los modelos digitales ofrecen numerosas ventajas sobre los métodos tradicionales de cartografía y topografía:

  • Precisión: Representan con precisión la superficie terrestre, lo que permite una mejor toma de decisiones y planificación.
  • Eficiencia: Los modelos digitales pueden crearse de forma rápida y eficiente utilizando métodos de captura de datos aéreos como LiDAR, lo que reduce la necesidad de estudios terrestres y minimiza el impacto ambiental.
  • Versatilidad: Los modelos digitales se pueden compartir fácilmente y utilizar en numerosas aplicaciones, lo que los convierte en un recurso valioso para diversas industrias. Se pueden usar en software SIG para análisis espacial, integrarse en software de modelado 3D o aplicarse junto con otras fuentes de datos, como imágenes satelitales.

En análisis del terreno los MDT son útiles operaciones básicas como  generación de curvas de nivel, pendiente, orientación, sombreado y curvaturas, y son insumos en ámbito mas avanzado como  modelado hidrológico, aplicaciones geológicas entre otras.

Curvas de nivel:

Los MDT pueden crear curvas de nivel, lo que ayuda en la construcción de carreteras o vías férreas al identificar obstáculos como árboles o rocas antes de que comience la construcción. En Qgis con el complemento Processing instalado, en el menu raster se activa el submenu de Extracción→Curvas de nivel , para generar curvas de nivel.

Figura 3. Modelo Digital de Elevación. SRTM Elaboración propia

Figura 4. Curvas de nivel cada 200 mts, Etiquetadas cada 600 m. Elaboración propia

Pendiente

Calcula la tasa máxima de cambio de una celda en relación a sus vecinas, que se utiliza por lo general para indicar la pendiente del terreno. Es la inclinación de un área de tierra con respecto a la horizontal, que se puede calcular dividiendo la diferencia de altura (desnivel) entre la distancia horizontal y se expresa en porcentaje (%) o grados (°). Para calcularla, se usa la fórmula: Pendiente = (Diferencia de altura / Distancia horizontal) x 100, y es fundamental en áreas como la ingeniería civil, agronomía y para determinar el potencial de erosión del suelo.

Figura 5. Representación de la relación trigonométrica para el cálculo del grado de pendiente (θ). Fuente :http://www.geogra.uah.es/gisweb/1modulosespanyol/AnalisisTerreno/DEMModule/DEM_T_Sl.htm

Figura 5.  Modelo de Pendiente. En rojo pendientes mas altas.  El rango de la leyenda esta en porcentaje. Elaboración propia

En Qgis el calculo de pendiente esta en el menú Raster y Submenu Analisis→Pendiente con la opción de calcularlo en grados o porcentaje.

Orientación

Calcula la dirección en la que el plano se ajusta a las caras de la pendiente de cada celda. La orientación de una superficie afecta normalmente a la cantidad de luz solar que recibe (como ya ocurre con la pendiente). En latitudes del norte, los lugares con una orientación sur tienden a ser más cálidos y secos que aquellos con una orientación norte. En QGIS se obtiene por la herramienta r.slope.aspect, de la caja de herramientas que se activa si esta instalado el complemento “Processing”.

Figura 6. Modelo Aspect.  . Elaboración propia                           

Dirección Cardinal Rango de Grados ) Cardinal Exacto (Grados)
Norte   337.5° a 360° y  0° a 22.5° 0∘ o 360∘
Noreste (NE) 22.5° a 67.5° 45°
Este (E) 67.5 a 112.5° 90°
Sureste (SE) 112.5° a 157.5° 135°
Sur (S) 157.5° a 202.5° 180°
Suroeste (SO) 202.5° a 247.5° 225°
Oeste (O) 247.5° a 292.5° 270°
Noroeste (NO) 292.5° a 337.5° 315°

Tabla 1. Rangos típicos asociados a punto cardinales. Fuente  respuesta a consulta  ia Gemini

Entre los usos mas comunes esta Identificación de Zonas Calientes/Frías, planificación de energía solar, modelización de evapo-transpiración y nieve: para la gestión de recursos hídricos y la planificación de riesgos por escorrentía.

Sombreado

Muestra la intensidad de la luz en una superficie expuesta a una fuente de luz en una ubicación concreta. Puede modelar las partes de una superficie que se encontrarán sombreadas por otras partes

Figura 7. Modelo de Sombreado. Elaboración propia

Figura 8 y 9. Imagen con apoyo del sombreado y sin el. Fuente respuesta a consulta  ia Gemini

Es fundamentalmente una técnica de visualización que convierte los datos de elevación brutos en una imagen intuitiva

Utilizado en análisis geomofológico:, para enfatizar estructuras sutiles (como fallas o lineamientos geológicos, terrazas, o patrones de erosión) que no son evidentes en el DEM simple, en inspección y control de calidad, ayudando  a identificar artefactos o errores de datos en el DEM.

En QGIS se genera en el menú Ráster y submenú Análisis → Mapa de Sombra (hillshade), con dos parámetros básicos Azimuth:  que define la posición horizontal del sol (el ángulo de la fuente de luz), medida en grados desde el norte (0∘). Un valor predeterminado común es 315° (noroeste) para imitar la iluminación típica de los mapas, y altitud: Define la altura vertical del sol sobre el horizonte, medida en grados (0∘ es el horizonte, 90∘ es directamente sobre la cabeza).Un valor predeterminado común es 45°.

Curvatura

Calcula la pendiente de la pendiente (la segunda derivada de la superficie), es decir, si una parte determinada de una superficie es convexa o cóncava. Las partes convexas de las superficies, como las cadenas montañosas, aparecen por lo general expuestas y drenan otras áreas. Las partes cóncavas de la superficie, como los canales, se hallan más resguardadas y aceptan el drenaje proveniente de otras áreas. En QGIS se obtiene por la herramienta r.slope.aspect, de la caja de herramientas que se activa si esta instalado el complemento Processing.

Figura10. Modelo Curvatura plana o tangencial. Elaboración propia

Valor de Curvatura Tangencial Forma de la Superficie Implicación Hidrológica
Negativo (-) Cóncava lateralmente (∪) El flujo converge (se concentra)  → Indica canales de flujo.
Positivo (+) Convexa lateralmente (∩) El flujo diverge (se dispersa)→  Indica laderas y crestas.
Cercano a Cero (0) Lineal o plano lateralmente. El flujo es paralelo o no hay cambio.

Tabla 2. Significado e interpretación Curvatura Tangencial. Fuente respuesta a consulta  IA Gemini

La pendiente, la orientación, la curvatura y el sombreado, son parámetros morfométricos derivados de un Modelo Digital de Elevación (DEM) y constituyen la base del análisis espacial aplicado a la geomorfología y la hidrología, es decir, se se combinan para crear modelos más sofisticados.

Referencias.

Centro de Procesamiento Digital de Imágenes. CPDI.(FIIIDT/MINCYT)
Elio Suarez esuarez@fii.gob.ve