Cómo funciona De topo a ráster
La herramienta De topo a ráster es un método de interpolación diseñado específicamente para crear modelos digitales de elevación (DEM) hidrológicamente correctos. Está basado en el programa ANUDEM desarrollado por Michael Hutchinson (1988, 1989). Consulte Hutchinson y Dowling (1991) para ver un ejemplo de una aplicación sustancial de ANUDEM y obtener referencias adicionales sobre el tema. En Hutchinson (1993) se brinda un breve resumen de ANUDEM y algunas aplicaciones. La versión actual de ANUDEM utilizada en ArcGIS es 4.6.3.
De topo a ráster interpola los valores de elevación para un ráster mientras se imponen restricciones que aseguran:
- Una estructura de drenaje conectado
- La correcta representación de crestas y arroyos a partir de los datos de curvas de nivel de entrada
Como tal, es el único interpolador de ArcGIS diseñado específicamente para trabajar de forma inteligente con entradas de curvas de nivel.
La herramienta De topo a ráster por archivo es útil para ejecutar la herramienta De topo a ráster varias veces, ya que es a menudo más fácil cambiar una entrada única en el archivo de parámetros y volver a ejecutar la herramienta que volver a completar el cuadro de diálogo de la herramienta todas las veces.
El proceso de interpolación
El procedimiento de interpolación se diseñó para aprovechar los tipos de datos de entrada comúnmente disponibles y las características conocidas de las superficies de elevación. Este método utiliza una técnica de interpolación de diferencia finita iterativa. Se optimiza para tener la eficacia computacional de los métodos de interpolación local, como la interpolación de distancia inversa ponderada (IDW), sin perder la continuidad de la superficie de los métodos de interpolación global, como Kriging y Spline. Es, esencialmente, una técnica de spline de lámina delgada discretizada (Wahba, 1990) a la cual se le modificó la penalización por rugosidad para permitir que el DEM ajustado siga los cambios abruptos en el terreno, como arroyos y crestas.
El agua es la principal fuerza erosiva que determina la forma general de la mayoría de los paisajes. Es por esto que la mayoría de los paisajes tienen varias cumbres (máximos locales) y pocos sumideros (mínimos locales), lo que resulta en un patrón de drenaje conectado. De topo a ráster utiliza este conocimiento de las superficies e impone restricciones al proceso de interpolación que resulta en una estructura de drenaje conectado y la correcta representación de crestas y arroyos. Esta condición de drenaje impuesto produce superficies con mayor precisión y menos datos de entrada. La cantidad de datos de entrada puede ser de hasta un orden de magnitud menor que lo que se requiere normalmente para describir de manera adecuada una superficie con curvas de nivel digitalizadas, lo que minimiza aún más el coste de obtener DEM fiables. La condición de drenaje global también elimina prácticamente cualquier necesidad de edición o postproceso para quitar los sumideros espurios de la superficie generada.
El programa actúa de manera conservadora en la eliminación de sumideros y no impone condiciones de drenaje en las ubicaciones que podrían contradecir los datos de elevación de entrada. Estas ubicaciones suelen aparecer en el archivo de diagnóstico como sumideros. Utilice esta información para corregir los errores en los datos, en particular cuando procesa datasets de gran tamaño.
El proceso de aplicación de drenaje
El propósito del proceso de aplicación de drenaje es quitar todos los puntos de sumideros en el DEM de salida que no se identificaron como sumideros en el dataset de entidades de sumidero de entrada. El programa presupone que todos los sumideros no identificados son errores, ya que, por lo general, es poco común encontrarlos en paisajes naturales (Goodchild y Mark, 1987).
El algoritmo de aplicación de drenaje intenta eliminar los sumideros espurios modificando el DEM, infiriendo las líneas de drenaje a través del punto de collado más bajo en el área de drenaje que circunda cada sumidero espurio. No intenta eliminar los sumideros reales suministrados por la función Sumidero. Como la eliminación de sumideros está sujeta a la tolerancia de elevación, el programa es conservador al intentar eliminar los sumideros espurios. Es decir, no elimina los sumideros espurios que puedan contradecir los datos de elevación de entrada por más del valor de Tolerancia 1.
La aplicación de drenaje también se puede complementar con la incorporación de los datos de línea de corriente. Esto es útil cuando se requiere una ubicación más precisa de los arroyos.
Es posible desactivar la aplicación de drenaje, en cuyo caso, se ignora el proceso de eliminación de sumideros. Esto puede ser útil si tiene datos de curvas de nivel de algo diferente a la elevación (por ejemplo, la temperatura) para los que desea crear una superficie.
Uso de los datos de curvas de nivel
Las curvas de nivel eran originalmente el método más común para el almacenamiento y la presentación de la información de elevación. Lamentablemente, este método también es el más difícil de utilizar de manera adecuada con las técnicas de interpolación general. La desventaja radica en el submuestreo de la información entre las curvas de nivel, en especial en las áreas de relieve bajo.
Al comienzo del proceso de interpolación, De topo a ráster emplea información inherente a las curvas de nivel para construir un modelo de drenaje generalizado. Al identificar las áreas de curvatura local máxima en cada curva de nivel, se identifican las áreas de pendiente más empinada y se crea una red de arroyos y crestas (Hutchinson, 1988). Esta información se utiliza para garantizar propiedades hidrogeomorfológicas adecuadas del DEM de salida y también para verificar la precisión del DEM de salida.
Una vez que se determina la morfología general de la superficie, los datos de curvas de nivel también se utilizan en la interpolación de valores de elevación en cada celda.
Cuando estos datos se usan para interpolar información de elevación, se leen y generalizan todos los datos de curvas de nivel. Se lee un máximo de 50 puntos de datos de estas curvas de nivel dentro de cada celda. Después de la resolución final, se utiliza sólo un punto crítico para cada celda. Por esta razón, es redundante tener una densidad de curvas de nivel con varias curvas de nivel que cruzan las celdas de salida.
Interpolación de varias resoluciones
El programa utiliza un método de interpolación de varias resoluciones, que comienza con un ráster grueso y sigue con la resolución más fina especificada por el usuario. En cada resolución, se aplican las condiciones de drenaje, se lleva a cabo la interpolación y se registra la cantidad de sumideros restantes en el archivo de diagnóstico de salida.
Procesar datos de arroyos
La herramienta De topo a ráster requiere que los datos de la red de arroyos tengan todos los arcos apuntando hacia abajo y que no haya polígonos (lagos) o arroyos trenzados en la red.
Los datos de arroyos deben estar compuestos por arcos individuales en un patrón dendrítico, con todos los arroyos trenzados, bancos de arroyos paralelos, polígonos de lago, etc. limpiados a través de la edición interactiva. Al editar polígonos de lago fuera de la red, se debe ubicar un arco individual desde el principio al final del área contenida. El arco debe seguir la ruta de un lecho fluvial histórico si se conoce o existe uno. Si se conoce la elevación del lago, el polígono del lago y su elevación se pueden utilizar como entrada de CURVA DE NIVEL.
Para visualizar la dirección de las secciones de línea, cambie la Simbología a la opción Flecha en el extremo. Con esta opción se dibujarán las secciones de línea con un símbolo de flecha que muestra las direcciones de las líneas.
Crear rásteres adyacentes y realizar mosaicos con ellos
A veces es necesario crear DEM a partir de teselas adyacentes de datos de entrada. Generalmente, esto ocurre cuando las entidades de entrada se derivan de una serie de hojas de mapa o cuando, debido a limitaciones de memoria, los datos de entrada deben procesarse en varias partes.
El proceso de interpolación utiliza datos de entrada de las áreas circundantes para definir la morfología y el drenaje de la superficie, e interpolar los valores de salida. Sin embargo, los valores de celda de los bordes de cualquier DEM de salida no son tan fiables como los del área central ya que están interpolados con la mitad de la información.
Para realizar las predicciones más precisas en los bordes del área de interés, la extensión de los datasets de entrada debe ser mayor que el área de interés. El parámetro Margen en celdas proporciona un método para acortar los bordes de los DEM de salida según una distancia especificada por el usuario. Los bordes de las áreas superpuestas deben tener al menos 20 celdas de ancho.
Debe haber un poco de superposición de los datos de entrada en las áreas adyacentes cuando se combinan varios DEM de salida en un ráster único. Sin esta superposición, es posible que los bordes de los DEM fusionados no sean suaves. Las extensiones de los datasets de entrada de cada una de las interpolaciones deben tener un área aún más grande que si sólo se fuera a hacer una interpolación para una interpolación simple, de forma de asegurar que los bordes se puedan prever de manera tan precisa como sea posible.
Después de crear los DEM, se pueden combinar mejor utilizando la herramienta de geoprocesamiento Mosaico con las opciones Combinar o Valor medio. Esta función proporciona opciones para administrar áreas superpuestas a fin de suavizar la transición entre los datasets.
Evaluar la salida
Cada superficie creada se debe evaluar para asegurar que los datos y parámetros suministrados al programa resulten en una representación realista de la superficie. Hay varias formas de evaluar la calidad de una superficie de salida, según el tipo de entrada disponible para crear la superficie.
La evaluación más común es crear curvas de nivel a partir de la superficie nueva con la herramienta Curva de nivel y compararlas con los datos de curvas de nivel de entrada. Es mejor crear estas curvas de nivel nuevas a la mitad del intervalo de la curva de nivel original para examinar los resultados entre éstas. Dibujar las curvas de nivel originales y las nuevas una sobre la otra puede ayudar a identificar los errores de interpolación.
Otro método de comparación visual es comparar la cubierta opcional de drenaje de salida con arroyos y crestas conocidos. La clase de entidad de drenaje contiene los arroyos y las crestas que se generaron mediante el programa durante el proceso de aplicación de drenaje. Estos arroyos y crestas deben coincidir con los arroyos y las crestas conocidos del área. Si se utilizó una clase de entidad de arroyo como entrada, los arroyos de salida deben superponerse casi perfectamente con los arroyos de entrada, aunque pueden ser levemente más generalizados.
Un método común para evaluar la calidad de una superficie generada es retener un porcentaje de los datos de entrada del proceso de interpolación. Después de generar la superficie, la altura de estos puntos conocidos se puede sustraer de la superficie generada para examinar con qué precisión la superficie nueva representa la superficie real. Estas diferencias se pueden usar para calcular una medida de error para la superficie, como el error cuadrático medio (RMS).
El archivo de diagnóstico opcional se puede usar para evaluar con qué efectividad los ajustes de tolerancia eliminan los sumideros de los datos de entrada. Disminuir los valores de las tolerancias puede hacer que el programa se comporte de forma más conservadora al eliminar los sumideros.
Influencia de las curvas de nivel
Existe una influencia menor en el algoritmo de interpolación que hace que las curvas de nivel de entrada tengan un efecto más fuerte en la superficie de salida en la curva de nivel. Esta influencia puede resultar en un aplanamiento leve de la superficie de salida cuando cruza la curva de nivel. Esto puede generar resultados confusos al calcular la curvatura del perfil de la superficie de salida pero no es perceptible de otro modo.
Causas posibles de problemas con De topo a ráster
Si encuentra algún problema al ejecutar De topo a ráster, revise los siguientes puntos para obtener explicaciones y soluciones para los problemas más comunes.
- No hay recursos de sistemas suficientes disponibles. Los algoritmos utilizados en la herramienta De topo a ráster contienen tanta información como es posible en la memoria durante el procesamiento. Esto permite acceder simultáneamente a los datos de punto, de curvas de nivel, de sumidero, de arroyo y de lago. Para facilitar el procesamiento de datasets grandes, se recomienda cerrar las aplicaciones innecesarias antes de ejecutar la herramienta para liberar memoria RAM física. También es importante tener cantidades suficientes de espacio de intercambio del sistema en el disco.
- La curva de nivel o el punto de entrada puede ser demasiado denso para el tamaño de la celda de salida especificado. Si una celda de salida cubre varias curvas de nivel o puntos de entrada, el algoritmo podría no poder determinar el valor de esa celda. Para resolver esto, intente una de las siguientes opciones:
- Disminuya el tamaño de la celda, luego, realice un remuestreo al tamaño más grande de celda después de De topo a ráster.
- Rasterice las secciones más pequeñas de los datos de entrada utilizando la Extensión de salida y el Margen en celdas. Ensamble los rásteres de componentes resultantes con la herramienta Mosaico.
- Recorte los datos de entrada en secciones superpuestas y ejecute De topo a ráster en cada sección por separado. Ensamble los rásteres de componentes resultantes con la herramienta Mosaico.
- La aplicación de un interpolador de superficie puede no ser consistente con el dataset de entrada. Por ejemplo, la herramienta fallará si hay una entrada de sumideros con más puntos que las celdas que habrá en el ráster de salida. Las fuentes de datos muestreados densamente, tales como los datos LIDAR, pueden tener problemas similares. Usar la opción NO_ENFORCE puede ayudar en este caso, pero es importante comprender adecuadamente cómo funciona el interpolador para evitar una aplicación incorrecta.
Referencias
Goodchild, M. F. y D. M. Mark. 1987. The fractal nature of geographic phenomena. Annals of Association of American Geographers. 77 (2): 265–278.
Hutchinson, M. F. 1988. Calculation of hydrologically sound digital elevation models. Documento presentado en el Tercer simposio internacional sobre manejo de datos espaciales en Sydney, Australia.
Hutchinson, M. F. 1989. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits. Journal of Hydrology, 106: 211–232.
Hutchinson, M. F. y T. I. Dowling. 1991. A continental hydrological assessment of a new grid-based digital elevation model of Australia. Hydrological Processes 5: 45–58.
Hutchinson, M. F. 1993. Development of a continent-wide DEM with applications to terrain and climate analysis. En Environmental Modeling with GIS, ed. M. F. Goodchild et al., 392–399. Nueva York: Oxford University Press.
Hutchinson, M. F. 1996. A locally adaptive approach to the interpolation of digital elevation models. En Procedimientos, Tercer conferencia/taller internacional sobre la integración del modelado ambiental con SIG. Santa Barbara, CA: National Center for Geographic Information and Analysis. Consulte: http://www.ncgia.ucsb.edu/conf/SANTA_FE_CD-ROM/sf_papers/hutchinson_michael_dem/local.html.
Wahba, G. 1990. Spline models for Observational data. Documento presentado en la Serie de conferencias regionales de CBMS-NSF sobre matemáticas aplicadas. Philadelphia: Soc. Ind. Appl. Maths.