GIS - Elaboración de un modelo de elevación digital de terreno (DEM)

Sistemas de Información Geográfica Aplicada

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TEMA 3: EJERCICIO 1: ELABORACION DE UN MODELO DE ELEVACION DIGITAL DE TERRENO (DEM) 1. INTRODUCCIÓN DTA es conocido como Análisis digital del terreno, que radica en el proceso de describir cuantitativamente un terreno. El modelo que resulta de este análisis es un Modelo de Elevación Digital DEM que no es nada más que la representación digital de la topografía terrestre. Un DEM se emplea para derivar otro atributos topográficos como parámetros geomorfométricos, variables morfométricas u otra información del terreno. Un DEM es obtenido a partir de la aplicación de diferentes técnicas de interpolación realizadas en bases de datos reales. Las fuentes para dichas base de datos pueden provenir de: 1. Datos adquiridos en campo (GPS) 2. Datos fotogramétricos (sensores implantados en aviones) 3. Encuestas - datos cartográficos (mapas topográficos) 4. Datos de laser-scanning (ejm. LIDAR) 5. Imágenes estereoscópicas o imágenes satelitales (SPOT, ASTER, SRTM) La elección de dichas fuentes estarán en función del costo, precisión requerida, densidad de muestreo y requerimientos de pre-procesamiento.

En febrero de 2000, SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) realiza una recolección de aproximadamente el 80 % de datos topográficos de la superficie terrestre, creando la primera base de datos global para elevaciones terrestres con resoluciones de 1 arcosegundo (pixel:30x30 metros)

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y 3 arcosegundos (90 x 90 metros). Esta información se puede descargar gratuitamente de http://glcfapp.glcf.umd.edu/.

2. MODELAMIENTO DEL TERRENO 2.1 ESTRUCTURA DE DATOS DEM Un DEM es comúnmente modelado y visualizado a través de dos tipos de estructuras: - GRID: grida rectangular o matriz de elevación - TIN: Red Irregular Triangular (Triangulated Irregular Network). Un DEM-GRID generalmente tiene formato raster, en cambio un DEM-TIN se basa en elementos triangulares cuyos vértices coinciden con los puntos muestreados. La ventaja del DEM-TIN radica en que puede incorporar características estructurales como picos, acantilados y surcos cónicos, considerado como más preciso cuando se emplean curvas de nivel. Sin embargo, el uso de un DEMGRID posee mayores facilidades en el momento de realizar operaciones entre mapas. 2.2 INTERPOLACION Si la fuente de datos radica en puntos con coordenadas y elevación o curvas de nivel digitalizadas, la obtención de un DEM se realiza en base a procesos de interpolación, los algoritmos más comunes son de: nearest point, triangulation, inverse distance, minimum curvature, kriging. Los métodos de interpolación se pueden agrupar por dos aspectos: el efecto suavizante y el efecto de proximidad. Una interpolación exacta va a preservar los valores originales de los datos. Por ejm. la interpolación por Kriging generalmente suaviza demasiado los valores de datos originales. Si los datos iniciales son curvas de nivel, se recomienda una interpolación flexible como la del método de curvatura mínima. Si existe una vasta densidad y buena calidad de los puntos muestreados se puede aplicar un método de interpolación inverse distance. 2.2.1 SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE GRIDA ADECUADO Y LA PRESICIÓN VERTICAL Si los datos originales son puntos con atributos, el tamaño el pixel debería ser menor que la distancia promedio entre los puntos de inflexión dividida entre el número de puntos de inflexión observados. Si se tienen curvas de nivel, se recomienda que la resolución sea por lo menos la mitad de la distancia promedio entre las curvas. O finalmente se recomienda un tamaño de pixel menor al de otros mapas ráster con los que también se trabajarán. 2.2.2 MEJORAR LA CONFIABILIDAD DEL DEM Para obtener un buen DEM, suficientemente real que a su vez desplegará adecuadamente las características geomorfológicas del área, es necesario aplicar filtros al DEM. Estos filtros detectaran Maestría en Ingeniería de Carreteras y Puentes Universidad Privada Boliviana – La Paz Enero- 2016


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y reducirán la cantidad de terrazas llanas (paddy terraces), interpolaciones fuera de lugar: outliers y correcciones por diferencia de elevación entre el terreno y cuerpos de agua, como se muestra en la figura:

3. ELABORACIÓN DEL DEM: 3.1 ILWIS: Los archivos proporcionados son los siguientes: - rios-pampahasi-piloto.shp : archivo SHAPE que contiene los ríos en formato segmento con algunos atributos. - curvas_nivel_shape.SHP: archivo SHAPE que contiene las curvas de nivel del área en estudio. El programa Ilwis es capaz de importar archivos con atributos de otros programas como Idrisi, Autocad o ArcGis… Podemos importar un archivo en formato dxf o como en este caso un archivo shp. Para ello: Importar desde ILWIS

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file > Import el archivo curvas_nivel_shape.shp a formato de Ilwis con el nombre

curvas_nivel_20.

- Realizar un mapa de vector con atributos de elevación. Para ello debemos asignar un sistema de proyección de coordenadas y una georeferencia:

☞ File > Create > Coordinate System : Nombre: Piloto-pamp, seleccionar CoordSystem projection, elegir proyección : UTM, Elipsoide y Datum: WGS 1984. Maestría en Ingeniería de Carreteras y Puentes Universidad Privada Boliviana – La Paz Enero- 2016


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☞ File > Create > Georeference: Nombre: Geo-Piloto-20m, Georeference: corners, CordinateSystem: Piloto-pamp, Pixel size: 10, Min X,Y (594000,8174000) MAX X,Y (598000,8176000)

- Ahora vamos a asignar el sistema de coordenadas creado al archivo vector curvas_nivel_20

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Click derecho sobre el archivo curvas_nivel: properties > Coordinate System > Piloto-pamp >

Domain: Value

- Ahora vamos a crear un archivo segmento con atributos:

☞ Click derecho sobre el archivo curvas_nivel_20: segment operations > attribute map



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Attribute: value (corresponde al valor de elevación de las curvas de nivel), le damos el nombre de curvas_nivel_20_atributo, finalmente define.

Si visualizamos el mapa segmento curvas_nivel_20_atributo observaremos que las curvas tienen asignados los valores de elevación haciendo click sobre ellas.



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Interpolación y creación DEM: click derecho sobre el archivo curvas_nivel_20_atributo seleccionamos la opción de contour interpolation, le damos el nombre de DEM1 y los siguientes campos: Georeference: geo-piloto 20 Domain: value de 0 a 9999999.9 precisión: 0.1.

- Para visualizar el DEM creado con un filtro de sombras y colores, vamos a:

☞ operation-tree > DEM Hydro-Processing > dem-Visualization > y seleccionamos el archivo ráster DEM1:



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3.2 ARCGIS: Ejecutar el programa ArcMap 10 con la siguiente secuencia:

☞ Start > All Programs > ArcGIS > ArcMap 10 . . . Luego, desde la venta principal del programa, seguir la secuencia para conectarla carpeta de trabajo provista con ArcGIS 10 (desde el menú Windows)

☞ sub menú Catalog > Connect to Folder>… Le asignamos la dirección de donde se sitúa la carpeta DATOS_ARCGIS. - En ArcGis abrimos un documento nuevo en ArcMap. Es conveniente guardar el proyecto creado, desde ArcGIS el menú:

☞ File > Save As > ….(especificamos

nombre y dirección del documento).

Los archivos proporcionados son los siguientes: - rios-pampahasi-piloto.shp : archivo SHAPE que contiene los ríos en formato segmento con algunos atributos. - curvas_nivel_shape.SHP: archivo SHAPE que contiene las curvas de nivel del área en estudio. El primer paso consiste en crear el DEM, o también denominado Modelo Digital de Terreno DTM. Para ello abrimos el archivo: curvas_nivel_shape.SHP

A continuación vamos a crear el archivo TIN para las respectivas curvas de nivel:

☞ ArcToolbox > 3D Analyst Tools > DATA Management >

TIN > Create TIN

En la caja de texto etiquetado con Output TIN especificar la ruta completa y el nombre del archivo de salida: TIN. En la caja de texto etiquetado con Spatial Reference especificar el sistema de coordendas, la proyección y la zona de trabajo, en nuestro caso es WGS_1984_UTM_zone_19S En la caja de texto etiquetado con Input Feature Class seleccionar y añadir el archivo curvas_nivel_shape.shp desde el cual se creará el archivo TIN Maestría en Ingeniería de Carreteras y Puentes Universidad Privada Boliviana – La Paz Enero- 2016


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Convertir aceptando los datos con ok

El siguiente paso radica en convertir el archivo TIN a formato ráster; para ello: Acceder a la ventana TIN to raster (TIN a Raster) mediante la siguiente secuencia desde Arcmap 10.2:

☞ ArcToolbox > 3D Analyst Tools > Conversion > From TIN > TIN to raster Especificamos los siguientes argumentos: En el cuadro de texto etiquetado con Input TIN seleccionamos el archivo TIN el cual se será convertido a formato raster. En el cuadro de opciones etiquetado con Sampling Distance(optional) elegimos el tamaño de celda (Cell Size) con un valor de 10 metros y escribimos en el campo: CELLSIZE 10. En las otras opciones aceptamos los valores mostrados por defecto.



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A continuación es necesario exportar el DEM creado en formato ráster a formato GRID. Para

ello hacemos click derecho al archivo TIN_raster que figura en Table of Contents: En los cuadros de texto etiquetado con Cell Size(cx,cy) especificamos el tamaño de celda del archivo raster. Luego especificamos la dirección para exportar el nuevo archivo, la dirección será la carpeta de trabajo seleccionado. En el cuadro de texto etiquetado con Name especificamos el nombre con el cual el archivo será exportado: GRID; este será el archivo con el cual se generará la delimitación de las sub-cuencas o macro-cuencas. En el campo etiquetado con format seleccionamos: GRID. Aceptamos las modificaciones y guardamos el archivo con Save. Este procedimiento es optativo dependiendo de la necesidad de cambiar el tamaño de celda en archivos tipo raster.



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El archivo GRID servirá como input para el acápite que compete la delimitación automática de subcuencas y cuencas.



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TEMA 3: EJERCICIO2: DELIMITACIÓN DE MAPAS DERIVATIVOS PROVENIENTES DE UN MODELO DE ELEVACION DIGITAL 1. INTRODUCCIÓN En este ejercicio obtendremos los mapas de elevación, aspecto e inclinación de pendientes y aprenderemos a representar mapas temáticos en layouts.

2. METODOLOGIA 2.1 ILWIS El mapa de pendientes a ser creado tiene como base de datos principal el DEM previamente creado. En base a este calcularemos las pendientes en grados y en porcentaje. En ambos casos podemos categorizar las pendientes por ejm. como indica la descripción de tipos de pendientes que realiza la FAO: (1) flat, level and very gently to gently slope (<5º), (2) sloping (5º-15º), (3) strongly sloping (15º-25º), (4) moderately steep (25º -35º), (5) steep (35º-45º) and (6) very steep (>45º)

En la barra de comandos escribimos:

☞ DEM_dx=MapFilter(DEM_1.mpr,dfdx.fil) ☞ DEM_dy=MapFilter(DEM_1.mpr,dfdy.fil) ☞ Slope in Percent=100 * HYP(DEM_dx,DEM_dy)/PIXSIZE(DEM_1) ☞ Slope in degrees= RADDEG(ATAN('Slope in Percent'/100)) Posteriormente creamos los dominios SLPORCENT y SLDEGREES como tipo de dominio clase-grupo, los cuales contendrán las categorías establecidas.

☞ Click derecho sobre mapas Slope in degrees o Slope in percent > image processing > slicing Maestría en Ingeniería de Carreteras y Puentes Universidad Privada Boliviana – La Paz Enero- 2016


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Finalmente creamos el mapa temático de pendientes:

☞ Operation tree > New layout Para el mapa de elevaciones solo basta con crear un dominio tipo clase-grupo que contenga las siguientes categorías de elevación:

Para la creación del mapa de aspecto, el DEM previamente creado es nuevamente el input con el cual se desarrollará una operación de neighbourhood, más específicamente la función NBMINP, donde el pixel central de una ventana de 3 x 3 es asignado con el valor de la posición numérica del valor más bajo de los pixeles vecinos. Los códigos de desta ventana de pixeles de 3 x 3 son:

Donde cada código representa la dirección hacia la cual el pixel del centro se moverá, como indica la siguiente tabla de códigos:

Para calcular el mapa de pendientes, escribir en la barra de comandos: ASPECT = NBMINP(DEM_1#) Finalmente hacer una clasificación o slicing con la nomenclatura indicada en la tabla anterior. Presentar los tres mapas temáticos a través de la composición de layouts. 2.2 ARCGIS 10.2 Para el mapa de pendientes. En catalog:



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☞ Spatial Analyst tools > Surface > slope

En el campo de input asignamos el mapa previamente creado GRID. En output: dotamos la dirección y nombre del archivo de salida el cual será SLOPE_PERCENT ó SLOPE_DEGREES, según sea la selección del campo output measurement.

☞ En table of contents > click derecho sobre el mapa SLOPE creado >Properties > symbology En esta ventana se podrá editar la representación del mapa según los rangos deseados.

De igual forma elaboraremos el mapa aspecto: En catalog:

☞ Spatial Analyst tools > Surface > aspect En el campo de input seleccionamos el mapa GRIS y en output asignamos la dirección y nombre del mapa:



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Finalmente crear los respectivos mapas temáticos con el Layout view.


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