Fundamentos de las superficies
Un modelo de superficie 3D es una representación digital de entidades, ya sea real o hipotética, en un espacio tridimensional. Algunos ejemplos simples de superficies 3D son un paisaje, un corredor urbano, depósitos de gas subterráneos y una red de profundidades de pozos que determinan la profundidad del nivel freático. Todos estos son ejemplos de entidades reales, pero las superficies podrían ser derivadas o imaginarias. Un ejemplo de superficie derivada son los niveles de contaminación de una bacteria en particular en cada uno de los pozos. Estos contaminantes podrían ser representados como una superficie 3D también. Los ejemplos imaginarios de superficies 3D son a menudo los tipos encontrados en videojuegos o entornos de simulación por ordenador.
Una superficie 3D suele derivarse o calcularse, mediante algoritmos especialmente diseñados para ello que toman datos de puntos, de líneas o de polígonos como muestra y los convierten en una superficie 3D digital. ArcGIS puede crear y almacenar tres tipos de modelos de superficie: ráster, TIN y dataset de terreno.
A continuación encontrará ejemplos de ráster, red irregular de triángulos (TIN) y superficies de terreno conjuntamente.
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Estos tres tipos de modelos de superficie se pueden crear a partir de una amplia variedad de fuentes de datos. Los dos métodos principales a la hora de crear modelos de superficie son la interpolación y la triangulación. Existen diversos métodos de interpolación, como Distancia inversa ponderada, Spline, Kriging y Vecino natural. Puede formar superficies trianguladas mediante la creación de un TIN o la agregación de elementos a un TIN existente. También puede convertir entre modelos de superficie de dataset de terreno, TIN y ráster.
Todas las superficies ráster, TIN y de terreno son tipos de superficie funcional. Una superficie funcional es un campo continuo de valores que puede variar en un número infinito de puntos. Por ejemplo, los puntos de un área de la superficie terrestre pueden variar en elevación, proximidad a una entidad o concentración de una sustancia química en concreto. Cualquiera de estos valores se puede representar en el eje z de un sistema de coordenadas x, y, z tridimensional, por lo que suelen conocerse como valores z.
Los modelos de superficie le permiten almacenar la información de superficie en un SIG. Dado que una superficie contiene un número infinito de puntos, es imposible medir y registrar el valor z en cada punto. Un modelo de superficie se aproxima a una superficie tomando una muestra de los valores en diversos puntos de la superficie e interpolando los valores entre dichos puntos.
En la siguiente ilustración se muestra un modelo de superficie de concentración química a través de un área. Los puntos muestran las zonas en las que la concentración se tomó como muestra.
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Superficies ráster
Los datos SIG se pueden categorizar fundamentalmente en dos tipos: ráster y vector. Los datos vectoriales se definen con arcos, nodos, líneas y sus relaciones asociadas que abarcan los datos geoespaciales. Las entidades y superficies del mundo real pueden representarse como datos vectoriales almacenados en un SIG. Los datos ráster son unas matrices rectangulares de celdas representadas en filas y columnas. Cada celda representa un área cuadrada definida en la superficie terrestre y conserva un valor que se mantiene estático a lo largo de toda la celda. Una superficie puede ser representada como datos ráster, en los que cada celda de los datos representa algunos valores de la información del mundo real. Podría tratarse de datos de elevación, concentraciones de contaminación, niveles freáticos, etc.
Más información acerca de los datos ráster
Los datos ráster pueden además subdividirse en categorías, como pueden ser la temática, de imágenes o de datos continuos. Las superficies representadas como datos ráster son una forma de datos continuos. A los datos continuos se les suele conocer también como datos de campo, no discretos o de superficie. Una superficie continua representa fenómenos en los que cada ubicación de la superficie es una medida del nivel de concentración o de su relación a partir de un punto fijo en el espacio o de una fuente de emisión.
Los modelos de elevación son un ejemplo de los modelos de superficie ráster. El punto fijo puede ser una altura de punto obtenida a partir de métodos fotogramétricos, pero la interpolación existente entre las alturas facilita la formación del modelo digital de elevación (DEM). Dado que las superficies ráster suelen ser almacenadas en formato de cuadrícula con celdas uniformemente separadas, cuanto más pequeñas sean las celdas, mayor será la precisión de la ubicación de la cuadrícula. En el siguiente ejemplo se comparan una cuadrícula de mayor precisión (izquierda) con una de menor precisión (derecha).
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La precisión de ubicación de las entidades individuales (por ejemplo, el pico de una montaña) está directamente relacionada con el tamaño de las celdas de cuadrícula. En el ejemplo mostrado anteriormente se mostraban unos datos de superficie de elevación tosca como modelo de superficie en una vista planar bidimensional. Las superficies ráster también se pueden generar y modelar con otras fuentes de imagen para vistas con perspectiva 3D, como es el caso de este DEM de alta resolución y con sombreado (abajo).
Una superficie ráster es un campo continuo de valores que puede variar en un número infinito de puntos. Por ejemplo, los puntos de un área pueden variar en elevación, proximidad a una entidad o concentración de una sustancia química en concreto. Cualquiera de estos valores puede ser representado en el eje z de un sistema de coordenadas x, y, z tridimensional para producir una superficie 3D continua.
Los datos de superficie ráster representan una superficie como una cuadrícula de celdas de igual tamaño que contienen los valores de atributos utilizados para representar el valor z y las coordenadas de ubicación x, y.
Al utilizar ArcGIS 3D Analyst para el procesamiento, es probable que consuma o cree muchos datasets ráster. Cuando trabaje con rásteres, es importante que entienda cómo se representa un dataset ráster en 3D Analyst.
Superficies de TIN
La comunidad SIG ha utilizado las redes irregulares de triángulos (TIN) durante muchos años y son un medio digital para representar la morfología de la superficie. Las TIN son una forma de datos geográficos digitales basados en vectores y se construyen mediante la triangulación de un conjunto de vértices (puntos). Los vértices están conectados con una serie de aristas para formar una red de triángulos. . Existen diversos métodos de interpolación para formar estos triángulos, como la triangulación de Delaunay o el orden de distancias. ArcGIS es compatible con el método de triangulación de Delaunay.
La triangulación resultante cumple el criterio de triángulo de Delaunay, que afirma que la circunferencia circunscrita de cada triángulo de la red no debe contener ningún vértice de otro triángulo. Si se cumple el criterio de Delaunay en todo el TIN, se maximizará el ángulo interior mínimo de todos los triángulos. El resultado es que los triángulos finos y largos se evitan en lo posible.
Las aristas de los TIN forman facetas triangulares contiguas y no superpuestas que se pueden utilizar para capturar la posición de entidades lineales que juegan un papel importante en una superficie, como cadenas montañosas o arroyos. A continuación encontrará unos gráficos en los que se pueden ver los nodos y bordes de un TIN (izquierda) y los nodos, bordes y caras de un TIN (derecha).
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Puesto que los nodos se pueden colocar irregularmente sobre una superficie, las TIN pueden tener una resolución más alta en las áreas donde la superficie es muy variable o cuando se desea obtener un nivel de detalle superior y una resolución más baja en zonas menos variables.
Las entidades de entrada utilizadas para crear un TIN permanecen en la misma posición que los nodos o las aristas del TIN. Esto permite a un TIN conservar toda la precisión de los datos de entrada al mismo tiempo que modela los valores entre los puntos conocidos. Puede incluir entidades localizadas con precisión en una superficie, como picos de montañas, carreteras y arroyos, utilizándolos como entidades de entrada a los nodos del TIN.
Los modelos de TIN son mucho menos generalizados que los modelos de superficie ráster y su construcción y proceso tiende a llevar más tiempo. El coste de obtener buenos datos de origen puede ser elevado y el procesamiento de las TIN tiende a ser menos eficaz que el procesamiento de datos ráster debido a la compleja estructura de datos.
Las TIN se suelen utilizar para el modelado de alta precisión de áreas más pequeñas, como en aplicaciones de ingeniería, donde resultan útiles porque permiten realizar cálculos de área planimétrica, área de superficie y volumen.
Superficies de terreno
La representación de los datos de elevación como superficies en ArcGIS nunca ha sido tan sencilla con la implementación de los datasets de terreno en ArcGIS 9.2. Los datos de elevación detectados remotamente, como las mediciones de puntos LIDAR y sonar (detección y medición lumínica) se cuentan de centenares de miles a centenares de millones. La administración y modelado de este tipo de datos es engorroso para la mayoría del hardware y software disponible hoy en día. El dataset de terreno permite la generación de una serie de reglas y condiciones que indexen los datos de origen en un conjunto ordenado de pirámides TIN que se generan al vuelo.
Los datasets de terreno suponen una forma eficaz de administrar los enormes datos basados en puntos en una geodatabase y de producir al vuelo superficies precisas y de gran calidad. Las mediciones de LIDAR, sonar (detección y medición lumínica) y elevación pueden abarcar desde centenares de miles a miles de millones de puntos. La organización, catalogación y generación de productos 3D a partir de estos tipos de datos es complicada en el mejor de los casos y prohibitiva en la mayoría de ellos. Los datasets de terreno le permitirán superar todos estos obstáculos de administración de datos, editar los datos de origen y producir TIN de gran precisión a distintas resoluciones.
La representación en pantalla de TIN de gran tamaño suele ser, por lo general, complicada, debido en parte a las limitaciones de algunos dispositivos de hardware como las tarjetas de vídeo. Sin embargo, los terrenos suponen una ventaja a la hora de representar en pantalla las áreas que necesita visualizar a una resolución optimizada. Por lo tanto, si tiene un área a pequeña escala en ArcGlobe o ArcMap, el terreno utilizará un número menor de nodos para generar el TIN representada en su pantalla. Sin embargo, si hace zoom en un área a gran escala, se utilizará una resolución completa (haciendo uso de todos los nodos de dicha área) para generar un TIN al vuelo. La ventaja obvia es que tan sólo una pequeña porción del área de estudio se representa en pantalla con un gran número de nodos o que una colección de submuestras de nodos se utiliza para generar un TIN a baja resolución al vuelo.
En el siguiente gráfico se muestra un ejemplo de ello:
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Los terrenos se encuentran dentro de los datasets de entidades de las geodatabases personales, de archivo o de ArcSDE. El resto de clases de entidad del dataset de entidades pueden participar en el terreno o incluso ser incrustadas en el terreno, lo que significa que los datos de origen podrían trasladarse sin conexión después de crear el dataset de terreno. En el siguiente gráfico se muestra cómo los diferentes tipos de clases de entidad pueden participar en la generación de pirámides de TIN.
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Ejemplo de diversos datos de origen que participan en las pirámides de TIN de resolución variable (dataset de terreno) |
Los datasets de terreno tienen la particularidad exclusiva de poder incrustar o hacer referencia a los datos de origen. Por medio de la indexación de cada medición de puntos se genera un conjunto de pirámides de TIN y en cada uno de estos conjuntos participa sucesivamente un número inferior de nodos (puntos de origen). Esto permite a ArcMap o ArcGlobe generar un TIN al vuelo a la resolución que sea necesaria para la escala del visor. Las visualizaciones a pequeña escala de los datos requieren un número menor de puntos y, por lo tanto, un TIN de menor resolución se representa en pantalla. A medida que se acerca el visor, se necesita un área más pequeña del dataset pero a una resolución mayor. La densidad de los puntos se ve incrementada, pero el rendimiento no se resiente porque se sólo se representa en pantalla una superficie de alta resolución del área mostrada.
Los datasets de terreno son compatibles con la lectura y visualización a todos los niveles de permisos: ArcView, ArcEditor y ArcInfo. Los terrenos se pueden crear con ArcEditor y ArcInfo con la extensión de ArcGIS 3D Analyst. ArcScene no admite datasets de terreno.
Para obtener más información acerca de los terrenos, visite las siguientes páginas de ayuda del dataset de terreno: