Administrar datos de elevación: Parte 1: Acerca de datos de elevación

Antes de comenzar con un flujo de trabajo para administrar y distribuir los datos de elevación, hay varias cosas que primero debe comprender acerca de los datos. Este flujo de trabajo se divide en tres partes: Esta primera parte es una discusión sobre los datos de elevación. En la segunda parte se trata el plan de administración de datos y los problemas a considerar. La tercera parte le mostrará paso a paso como administrar y publicar los datos de elevación.

Elevación del terreno frente a elevación de superficie

Hay dos representaciones de elevación fundamentales que se requieren para admitir la mayoría usuarios: la elevación del terreno y la elevación de la superficie. La elevación del terreno algunas veces se conoce como terreno desnudo o sin vegetación o modelo digital de elevación (DEM), mientras que la elevación de superficie generalmente la define el terreno y las cosas sobre él, incluido los edificios, la cubierta forestal, puentes, etc. La elevación de superficie algunas veces se conoce como el modelo digital de superficie (DSM). Además, algunos utilizan el término de modelo digital de terreno (DTM) para referirse a los datos DEM almacenados y modelados directamente a partir de puntos.

Por lo general, el DEM es necesario para la ortorrectificación de imágenes aéreas, mientras que un DSM se debe utilizar para cálculos de cuenca visual.

Una cuarta representación es un DEM aplicado hidrográficamente. Este es un caso especial del DEM que se desarrolla conforme a métodos rigurosos y controles de calidad que se utilizan en modelados hidrológicos, como modelado por PC de flujo de agua. Este tipo de DEM no es aplicable en muchas organizaciones o aplicaciones, pero se mencionará según sea aplicable en el resto de este flujo de trabajo.

Representación de masas de agua

Las masas de agua se pueden representar de manera diferente en los modelos de elevación. La manera en la que se representen generalmente depende de las necesidades del usuario. Las opciones típicas incluyen:

1. El agua es una superficie plana: por ejemplo, para visualizaciones simples, todos los lagos y océanos deben aparecer en sus niveles normales de agua. En algunos casos, las masas de agua se pueden normalizar para tener un valor de elevación de cero. Se utiliza normalmente para la ortorrectificación.
2. La subsuperficie de agua es válida: por ejemplo, para el moldeado hidrológico, es posible que un ingeniero civil desee conocer la topografía de una cuenca de río sin presencia de agua. Por lo tanto, el DEM incluye datos batimétricos.
3. El agua es NoData (debido a que no es terreno): por ejemplo, para una aplicación que requiere cálculos exactos del área de tierra.

Para la mayoría de aplicaciones, el primer caso es la interpretación preferida.

Altura ortométrica frente a elipsoidal

Otro atributo de datos que el administrador de datos necesita comprender es la altura elipsoidal y la altura ortométrica. La altura elipsoidal se refiere a los valores de elevación por encima o por debajo de la superficie idealizada que se aproxima a la forma de la tierra como un esferoide simple. Un ejemplo de un elipsoide es WGS 84, pero hay muchos elipsoides diferentes en uso.

Es importante comprender que el elipsoide es una superficie muy suave y puede variar en gran medida del nivel del mar local (lo cual lo define un modelo del geoide). Las tecnologías de posicionamiento modernas (por ejemplo, posiciones orbitales por satélite y GPS, que se utilizan mucho en la fotografía aérea, LIDAR y radar topográfico, así como en la topografía basada en la superficie) por lo general hacen todas mediciones en relación con un elipsoide de referencia.

La altura ortométrica se refiere a los valores de elevación por encima o por debajo de una superficie de modelo del geoide; el geoide se aproxima al nivel del mar local. Aunque el geoide también es una superficie matemática que es relativamente suave, incluye mucha más variación que el elipsoide, a causa de las diferencias locales en la gravedad. Para métodos de topografía tradicional (no basados en satélites), por lo general, todas las mediciones se hacen con relación al geoide (nivel del mar local).

• Las alturas elipsoidales normalmente se utilizan para aplicaciones basadas en datos GPS y para la ortorrectificación de imágenes de satélite, mientras que la fotografía aérea se puede utilizar dependiendo del datum utilizado para la orientación exterior. La orientación exterior puede ser ortométrica (si el control para el proyecto se generó utilizando datos de estaciones en tierra) o elipsoidal (como GPS + IMU aerotransportados). En el último caso, la altura elipsoidal del terreno se requerirá para admitir el proceso de ortorrectificación.
• Las alturas ortométricas por lo general se utilizan en topografía, hidrología, agricultura y administración de tierras.

La mayoría de datasets de elevación se procesan para informar la altura de ortométrica, pero el administrador de datos debe comprender la diferencia y confirmar lo que se proporciona en los datos de entrada. Además, es muy probable que sea un requisito para proporcionar datos de elevación en ambos formatos que requieren un proceso de conversión.

Obtenga más información en http://www.ngs.noaa.gov/GEOID/PRESENTATIONS/2007_02_24_CCPS/Roman_A_PLSC2007notes.pdf.

En la mayoría de escenarios, se recomienda que el servicio de elevación base esté configurado para altura ortométrica, si después se necesitan las alturas elipsoidales, se pueden aplicar funciones (utilizando un geoide apropiado) para calcular un servicio de altura elipsoidal. Encontrará ejemplos en los siguientes vínculos:

• Convertir alturas ortométricas en elipsoidales utilizando el geoide (EGM96) en ArcGIS.
• BLOG específico de EGM2008: Convertir alturas ortométricas en elipsoidales utilizando EGM2008.

Exactitud en las mediciones de elevación

Hay dos valores comunes asociados con los datos y representaciones cartográficas detectadas de forma remota para definir la exactitud de los datos: error circular y error lineal. La exactitud espacial horizontal es el error circular de las coordenadas horizontales del dataset a un nivel de porcentaje especificado de confianza. La exactitud espacial vertical la define por medio del error lineal de las coordenadas verticales del dataset a un nivel de porcentaje especificado de confianza, como una medición de elevación. Básicamente, la exactitud se mide por medio de la distribución de probabilidad que un valor tiene a partir del valor real. Una exactitud de nivel de confianza del 90 por ciento significa que el 90 por ciento de las exactitudes posicionales serán iguales a o menores que el valor de exactitud reportado.

Es posible que vea elementos en los metadatos, como CE90; esto significa que es una medida de error circular del 90 por ciento y a menudo tendrá un valor asociado a ésta, mientras que LE90 significa un error lineal del 90 por ciento. También puede ver VE para el error vertical (que es un error lineal en una dirección vertical). Por ejemplo, los datos SRTM a menudo se incluyen en el informe como VE90 = 16 m, lo que significa que el 10 por ciento de la medición vertical se puede desviar por más de 16 m de la medición vertical correcta en un punto (tomando en cuenta las inexactitudes de latitud, longitud y altura).

Los estándares de representación cartográfica nacionales se establecieron desde 1947. Por ejemplo, "Para mapas en escalas de publicaciones más grandes que 1:20,000, no más del 10 por ciento de los puntos comprobados tendrán un error mayor que 1/30 pulgadas…Estos límites de exactitud aplicarán a todos los casos solo para posiciones de puntos bien definidos...como, monumentos o marcadores, intersecciones o caminos, etc." (Oficina de presupuesto de Estados Unidos, 1947). Con el paso del tiempo, se han adoptado nuevos estándares; el último lo publicó el Comité federal de datos geográficos (FGDC) en 1998. Por ejemplo, para informar una clasificación de exactitud de 1 metro para un entidad con una confianza de 95 por ciento, la exactitud en los datos debe ser menor que o igual a 1 metro. La principal diferencia en estas mediciones es que el estándar ya no se basa en una medida que utiliza escala. Además, es posible que observe que la medición cambia cada vez con más exactitud de CE90 a CE95.

Referencias:

1. Comité federal de datos geográficos, 1998, Parte 2, Standards for Geodetic Networks, Geospatial Positioning Accuracy Standards, FGDC-STD-007.2-1998: Washington, D.C., Comité federal de datos geográficos.
2. Principios de la teoría de error aplicaciones cartográficas por C.R. Greenwalt y M.E. Shultz, Informe Técnico No. 96 de ACIC, Cuadro aeronáutico y Centro de información, St. Louis, 1968 (reimpreso).
3. U.S. Bureau of the Budget, 1947, United States National Map Accuracy Standards: U.S. Bureau of the Budget, Washington, D.C.

Fuentes de datos

Hay tres tipos de básicos de datos:

1. Datos públicos (libres, por lo general de fuentes gubernamentales)
2. Datos obtenidos de los proveedores de representaciones cartográficas que proporcionan los productos disponibles para la venta
3. Datos patentados que genera la organización (de fuentes internas o por contrato con un proveedor de servicios de representación cartográfica)

Estas u otras fuentes de datos pueden ofrecer datos de elevación a través de Internet como un servicio o como datos que se pueden descargar. Una organización puede considerar el uso de ese servicio, pero el flujo de trabajo asociado supone que el administrador de datos esta utilizando datos internos almacenados localmente.

Datos públicos

A continuación encontrará una tabla que enumera algunas fuentes de datos de elevación de dominio público.

• GTOPO es un dataset de elevación global con una resolución de 30 arcsegundos (aproximadamente 1 km), disponible para descargar en http://www1.gsi.go.jp/geowww/globalmap-gsi/gtopo30/gtopo30.html.
• ETOPO es un modelo de relieve global de 1 arco minuto de la superficie de la Tierra que integra topografía del suelo y batimetría de océanos, disponible para descargar en http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html.
• Datos globales de elevación del terreno de múltiples resoluciones 2010 (GMTED2010) es un juego de productos en tres diferentes resoluciones (aproximadamente 1,000, 500 y 250 metros) que proporciona el USGS. Obtenga más información en http://pubs.usgs.gov/of/2011/1073.
• La Misión topográfica Radar Shuttle (SRTM) son datos de elevación en una escala casi global, que se adquiere de Space Shuttle, para generar la base de datos topográficos digitales de alta resolución más completa de la Tierra. Disponible en http://srtm.usgs.gov/index.php.
• El Radiómetro espacial avanzado de reflexión y emisiones térmicas (ASTER) es un instrumento en el satélite Terra de la NASA y las imágenes en estéreo de este sensor se procesó para generar un modelo digital de elevación casi global entre las latitudes 83N y 83S con publicaciones de 30 metros. Disponible en http://asterweb.jpl.nasa.gov/gdem.asp.
• El National Elevation Dataset (NED) fue creado por el USGS para los EE.UU. Los datos del NED están disponibles a nivel nacional en resoluciones de 1 arcsegundo, 1/3 arcsegundo y 1/9 arcsegundo (en áreas limitadas). Más información en http://ned.usgs.gov/.
• Modelos geoides como EGM96 y EGM2008. (El geoide compilado en ArcGIS es una aproximación de EGM96.)
• Esri proporciona varias capas de mapa base, como un relieve sombreado y está trabajando para alojar un servicio mundial de elevación en ArcGIS.com que incluya las fuentes de datos de dominio público antes mencionadas. Revise http://www.arcgis.com/ para obtener información actual.

Obtenidos

Las siguientes son algunas compañías privadas que proporcionan (por un costo) datos de elevación ya sea como un producto preprocesado (disponibles para la venta) o a través de proyectos de adquisición personalizada, según se desee:

• Intermap (www.intermap.com/)
• SPOT (http://www.spot.com/)
• FUGRO (http://www.fugro.com/)
• … y muchas compañías de topografía privadas

Datos de la organización

Se puede desarrollar un tercer posible origen de datos de elevación dentro de su propia organización. Se puede generar internamente utilizando las capacidades en la organización como equipos de topografía de terreno u otras tecnologías, como fotogrametría o LIDAR. O bien, su organización puede adquirir los datos a través de un contrato personalizado.

Tipos de sistemas como fuentes de datos

Además de "¿Dónde puede su organización obtener datos de elevación?", es posible que sea importante para el administrador de datos entender los tipos de sistemas o tecnologías de sensores que proporcionan datos de elevación. En este documento no se hace un análisis detallado de las tecnologías, pero es posible que las organizaciones que utilizan datos de elevación necesiten comprender algunos fundamentos respecto a tecnologías actuales para la representación cartográfica de terrenos a partir de plataformas aéreas o de satélite, como fotogrametría, radar y LIDAR.

Fotogrametría

Puede encontrar una introducción a la fotogrametría en www.geodetic.com. Los conceptos claves para que un administrador de datos comprenda la fotogrametría incluyen:

• La fotogrametría se puede utilizar para generar un modelo de elevación para el área que cubre la estereofotografía aérea.
• Cuando hayan datos de elevación disponibles se pueden utilizar como una entrada del proceso fotogramétrico para realizar correcciones a datos de imagen.
• En áreas muy boscosas, donde no se observa terreno desnudo en la imagen, el modelo de elevación resultante puede representar la parte superior de la cubierta forestal (DSM) o es posible que el DEM del terreno desnudo solo sea una superficie estimada.

LIDAR aerotransportados

Puede encontrar una introducción a LIDAR en http://en.wikipedia.org/wiki/LIDAR.

Los conceptos claves para que el administrador de datos comprenda los datos LIDAR incluyen:

• LIDAR se pueden recopilar desde varias plataformas, incluyendo plataformas de satélite, aerotransportadas, móviles o terrestres estacionarias.
  • Para la representación cartográfica topográfica, los LIDAR aerotransportados son los más comunes.
  • Los sistemas LIDAR terrestres son cada vez más comunes para adquirir puntos de datos en 3D de ciudades, edificios (exterior e interior) y otras estructuras. (Los datos LIDAR terrestres por lo general no son aplicables en el contexto de este flujo de trabajo de elevación, pero eso puede cambiar con el paso del tiempo.)
  • Los sistemas LIDAR especializados también se pueden utilizar para la representación cartográfica batimétrica (vea a continuación).
• LIDAR son (originalmente) datos 3D sin referencia cartográficas almacenados en un formato de nube de punto. A menudo se procesan para crear superficies de ráster (DEM o DSM).
• LIDAR es un sistema de teledetección que no depende de la luz solar para su operación. Sin embargo, muchos sistemas LIDAR modernos incluyen un sistema de cámara digital.
• LIDAR es posiblemente la tecnología con más éxito para adquirir datos de elevación tanto DSM como DEM. Aunque la señal LIDAR no puede penetrar la cubierta forestal, la alta resolución del láser de escaneo puede pasar de manera efectiva a través de separaciones periódicas en la copa del árbol para recopilar una representación relativamente buena del DEM del terreno desnudo.
• Para la conversión de datos LIDAR a superficies de elevación en ArcGIS 10.0, vea el blog: Soluciones LIDAR en ArcGIS parte 2: Crear DEM y DSM de ráster a partir de un punto LIDAR grande.
• En la presentación Soluciones LIDAR en ArcGIS podrá encontrar una revisión completa de las herramientas y aplicaciones LIDAR de ArcGIS 10.0.
• Notas técnicas detalladas acerca de Análisis LIDAR en ArcGIS 10 para aplicaciones de silvicultura.

Radar y radargrametría

Puede encontrar una introducción a la representación cartográfica del terreno de radar en http://www.intermap.com.

Los conceptos claves para que el administrador de datos comprenda la representación cartográfica del terreno de radar incluyen:

• Los sistemas de representación cartográfica de radar están activos (no requieren de luz solar, a diferencia de la fotografía aérea) y las longitudes de onda pueden penetrar las nubes. Esto hace que el radar sea efectivo en climas tropicales y también para operaciones extendidas (temprano en la mañana, en las últimas horas de la tarde o incluso después de anochecer).
• Las longitudes de onda de radar resultan en limitaciones. Por ejemplo, la exactitud horizontal y vertical usualmente se miden en metros o decímetros, frente a centímetros que se utilizan en un sistema óptico como LIDAR.
• Dependiendo de la longitud de onda, algunos sistemas de radar penetran parcialmente la vegetación (pero con un sacrificio en términos de menor exactitud), frente a otros que son más exactos pero no penetran la vegetación (por lo tanto, generan un modelo digital de superficie, pero tienen dificultad al crear un modelo digital de elevación en áreas muy boscosas).
• Los datos de radar sin procesar requieren procesamiento especializado para generar los datos de elevación que no estén disponibles en ArcGIS.

Sonar

Sonar es una tecnología comúnmente utilizada para la representación cartográfica batimétrica de la geometría de subsuperficie en lagos o el océano. Vea http://en.wikipedia.org/wiki/Bathymetry para obtener información de fondo.

Los conceptos claves para que el administrador de datos comprenda la representación cartográfica de terreno utilizando sonar incluyen:

• La resolución horizontal y exactitud vertical de los sistemas sonar es menor que la presente en las topografías terrestres equivalentes.
• A menudo existe una separación a lo largo del perímetro costero entre donde terminan los datos batimétricos y empiezan los datasets de elevación terrestre. Esta región de marea/perímetro costero puede requerir procesamiento especial para evitar separaciones NoData.

Los LIDAR aerotransportados también se utilizan para la representación cartográfica batimétrica. Vea http://gcmd.nasa.gov/records/GCMD_USACE_SHOALS.html.

Estructuras de datos

Punto flotante frente a datos enteros

Los datos de elevación se basan en muestras de punto y la interpolación con frecuencia es necesaria para estimar las áreas de elevación que no tienen muestras. Los valores de elevación, por lo general, se almacenan en formato de punto flotante, aunque algunos datos de escala pequeña (como SRTM) se almacenan en formato de enteros. El administrador de datos deben comprender los tipos de datos.

En la mayoría de los casos, los resultados de análisis o productos de visualización se pueden entregar como imágenes en formato de enteros, por lo que, los usuarios y las aplicaciones que utilizan valores de datos de elevación requieren datos de punto flotante. (Vea las descripciones en la Parte 2 para obtener más información).

Las ventajas de utilizar datos enteros (donde sea apropiado) son

• Volumen de datos reducido (8 o 16 bits por muestra frente a 32 para datos de punto flotante)
• La compresión es más simple (proceso más rápido, con un mayor nivel de compresión)

Pero observe que al utilizar valores de elevación enteros, una desventaja es que posiblemente esos escalones (terrazas) aparecerán en algunos productos (como un sombreado) debido al redondeo. El ejemplo anterior muestra una región representada por datos DRTM con terrazas en un producto sombreado.

Algunos datos se proporcionan en teselas. Si tiene control sobre cómo se presentan los datos en teselas, se recomienda que haya por lo menos 1 píxel de superposición entre las teselas.

Formatos típicos

El formato que Esri recomienda para almacenar y servir elevación ráster con más eficiencia es utilizar el formato flotante de 32 bits TIFF en teselas, utilizando la compresión LZW. Este formato es más fácil de utilizar y mantener, mientras proporciona el mejor rendimiento. Otros formatos que se pueden encontrar incluyen:

• CUADRÍCULA DE ESRI: este es un formato antiguo que ya no se recomienda para almacenar datos de elevación. El administrador de datos debe considerar convertirlo a TIFF para mejorar el rendimiento en un entorno de servidor.
• FTL: formato simple binario de punto flotante, similar a los archivos TIFF de punto flotante de 32 bits pero sin un encabezado. Este no es un formato en teselas y se recomienda solo para extensiones pequeñas.
• ASCII DEM: este es un archivo de datos ASCII sin formato que puede ser una estructura de ráster regular o datos cuadriculados irregulares. En el último caso, el archivo explícitamente enumera los valores x,y,z. Esto es poco eficiente en términos de almacenamiento, lectura y escritura pero es un formato de almacenamiento universal. Es sumamente recomendado que estos datos se conviertan a TIFF para mejorar el rendimiento.
• IMG de ERDAS: datos de elevación que se pueden almacenar en formato IMG, el cual es compatible con ArcGIS.
• BAG (cuadrícula de atributos de batimetría): este formato se utiliza para datos batimétricos y es parcialmente compatible con ArcGIS 10. El sofware lee adecuadamente los datos de elevación de ráster, pero no admite a totalidad todos los componentes del formato (como puntos dorados). Obtenga más información acerca de las especificación de formato, vea http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/bathymetry/noshdb/ons_fsd.pdf.
• DTED (datos digitales de elevación de terreno): esta es una especificación de formato con aspectos específicos sobre la resolución y exactitud de los datos de elevación, que define la NGA (Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial). Los datos con formato DTED por lo general tienen un rendimiento adecuado; por consiguiente, no se requiere conversión. Vea la información del formato en https://www1.nga.mil/ProductsServices/TopographicalTerrestrial/DigitalTerrainElevationData/Pages/default.aspx.
• Dataset de terreno de Esri: un dataset de terreno es una superficie basada en TIN con distintas resoluciones que se compila a partir de mediciones almacenadas como entidades en una geodatabase. Generalmente, se hacen a partir de fuentes LIDAR, sonar y fotogramétricas. Los terrenos residen en la geodatabase, dentro de los datasets de entidades con las entidades que se utilizaron para crearlos. Se deben convertir a un dataset ráster (se recomienda el TIFF). Para más información, vea Qué es un dataset de terreno.

Nota:

ArcGIS 10.1 admitirá directamente datos de elevación desde archivos LAS y los dataset de terreno (para así evitar la necesidad de convertir a ráster).

Datos de elevación irregulares

El tema central en este documento son datos de elevación almacenados en formato de ráster (cuadrícula); el cual, por lo general, es el formato que necesitan los usuarios finales de los datos de elevación. Sin embargo, los administradores de datos necesitan conocer los datos almacenados en formatos irregulares. Un ejemplo es una red irregular de triángulos (TIN). Este formato irregular a menudo se utiliza para almacenar datos de elevación, especialmente en el caso de una organización que recopila y mantiene sus propios datos de elevación, debido a que este conserva los datos originales (por ejemplo, muestras de punto de elevación exactas en 3D). Otro formato es un dataset de terreno (antes mencionado). Este se puede visualizar como una TIN. Para obtener más información, vea Mostrar datasets de terreno en ArcGIS.