Un modelo de elevación digital ( DEM ) o modelo de superficie digital ( DSM ) es una representación gráfica por computadora en 3D de datos de elevación para representar el terreno u objetos superpuestos, comúnmente de un planeta , luna o asteroide . Un "DEM global" se refiere a una red global discreta . Los DEM se utilizan a menudo en sistemas de información geográfica (SIG) y son la base más común para mapas de relieve producidos digitalmente . Un modelo digital de terreno ( DTM ) representa específicamente la superficie del suelo, mientras que DEM y DSM pueden representar las copas de los árboles o los techos de los edificios .
Si bien un DSM puede ser útil para modelado de paisajes , modelado de ciudades y aplicaciones de visualización, a menudo se requiere un DTM para modelado de inundaciones o drenaje, estudios de uso de la tierra , [1] aplicaciones geológicas y otras aplicaciones, [2] y en ciencia planetaria .
No existe un uso universal de los términos modelo digital de elevación (DEM), modelo digital de terreno (DTM) y modelo digital de superficie (DSM) en la literatura científica. En la mayoría de los casos, el término modelo de superficie digital representa la superficie de la Tierra e incluye todos los objetos que se encuentran en ella. A diferencia de un DSM, el modelo digital del terreno (DTM) representa la superficie del terreno desnudo sin objetos como plantas ni edificios (ver figura de la derecha). [3] [4]
DEM se utiliza a menudo como un término genérico para DSM y DTM, [5] que solo representa información de altura sin ninguna definición adicional sobre la superficie. [6] Otras definiciones igualan los términos DEM y DTM, [7] igualan los términos DEM y DSM, [8] definen el DEM como un subconjunto del DTM, que también representa otros elementos morfológicos, [9] o definen un DEM como una grilla rectangular y un MDT como modelo tridimensional ( TIN ). [10] La mayoría de los proveedores de datos ( USGS , ERSDAC , CGIAR , Spot Image ) utilizan el término DEM como término genérico para DSM y DTM. Algunos conjuntos de datos como SRTM o ASTER GDEM son originalmente DSM, aunque en áreas boscosas, SRTM llega hasta la copa de los árboles dando lecturas en algún lugar entre un DSM y un DTM). Los DTM se crean a partir de conjuntos de datos DSM de alta resolución utilizando algoritmos complejos para filtrar edificios y otros objetos, un proceso conocido como "extracción de tierra desnuda". [11] [12] A continuación, el término DEM se utiliza como término genérico para DSM y DTM.
Un DEM se puede representar como un ráster (una cuadrícula de cuadrados, también conocido como mapa de altura cuando representa la elevación) o como una red triangular irregular (TIN) basada en vectores . [13] El conjunto de datos TIN DEM también se conoce como DEM primario (medido), mientras que el DEM Raster se conoce como DEM secundario (calculado). [14] El DEM podría adquirirse mediante técnicas como fotogrametría , lidar , IfSAR o InSAR , agrimensura , etc. (Li et al. 2005).
Los DEM se construyen comúnmente utilizando datos recopilados mediante técnicas de detección remota, pero también se pueden construir a partir de agrimensura.
El modelo de elevación digital en sí consta de una matriz de números, pero los datos de un DEM a menudo se representan en forma visual para que sean comprensibles para los humanos. Esta visualización puede tener la forma de un mapa topográfico con contornos , o podría usar sombreado y asignación de color falso (o "pseudocolor") para representar las elevaciones como colores (por ejemplo, usar verde para las elevaciones más bajas, sombrear en rojo, con blanco para la elevación más alta).
A veces, las visualizaciones también se realizan como vistas oblicuas, reconstruyendo una imagen visual sintética del terreno tal como aparecería mirando hacia abajo en ángulo. En estas visualizaciones oblicuas, las elevaciones a veces se escalan utilizando " exageración vertical " para hacer más notorias las sutiles diferencias de elevación. [15] Algunos científicos, [16] [17] sin embargo, se oponen a la exageración vertical por considerar que engaña al espectador sobre el verdadero paisaje.
Los cartógrafos pueden preparar modelos de elevación digitales de varias maneras, pero con frecuencia utilizan sensores remotos en lugar de datos topográficos directos .
Los métodos más antiguos para generar DEM a menudo implican la interpolación de mapas de curvas de nivel digitales que pueden haber sido producidos mediante un estudio directo de la superficie terrestre. Este método todavía se utiliza en zonas montañosas , donde la interferometría no siempre es satisfactoria. Tenga en cuenta que los datos de curvas de nivel o cualquier otro conjunto de datos de elevación muestreados (por GPS o levantamiento terrestre) no son DEM, pero pueden considerarse modelos digitales del terreno. Un DEM implica que la elevación está disponible continuamente en cada ubicación del área de estudio.
Una técnica poderosa para generar modelos digitales de elevación es el radar interferométrico de apertura sintética , donde dos pases de un satélite de radar (como RADARSAT-1 o TerraSAR-X o Cosmo SkyMed ), o un solo pase si el satélite está equipado con dos antenas (como el Instrumentación SRTM ), recogen datos suficientes para generar un mapa de elevación digital de decenas de kilómetros de lado con una resolución de unos diez metros. [18] Se pueden emplear otros tipos de pares estereoscópicos utilizando el método de correlación de imágenes digitales , donde se adquieren dos imágenes ópticas con diferentes ángulos tomadas desde el mismo paso de un avión o un satélite de observación de la Tierra (como el instrumento HRS de SPOT5 o el Banda VNIR de ASTER ). [19]
El satélite SPOT 1 (1986) proporcionó los primeros datos de elevación utilizables para una porción considerable de la masa terrestre del planeta, utilizando correlación estereoscópica de dos pasos. Posteriormente, el satélite europeo de teledetección (ERS, 1991) proporcionó más datos utilizando el mismo método, la misión de topografía por radar Shuttle (SRTM, 2000) que utiliza SAR de un solo paso y el radiómetro espacial avanzado de reflexión y emisión térmica (ASTER, 2000). 2000) instrumentación en el satélite Terra utilizando pares estéreo de doble paso. [19]
El instrumento HRS en SPOT 5 ha adquirido más de 100 millones de kilómetros cuadrados de pares estéreo.
Una herramienta de valor creciente en la ciencia planetaria ha sido el uso de la altimetría orbital para crear mapas digitales de elevación de los planetas. Una herramienta principal para esto es la altimetría láser , pero también se utiliza la altimetría por radar. [20] Los mapas de elevación digitales planetarios elaborados utilizando altimetría láser incluyen el mapeo del Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) de Marte, [21] el Lunar Orbital Laser Altimeter (LOLA) [22] y el mapeo del Lunar Altímetro (LALT) de la Luna, y el mapeo del altímetro láser de mercurio (MLA) de Mercurio. [23] En el mapeo planetario, cada cuerpo planetario tiene una superficie de referencia única. [24]
La calidad de un DEM es una medida de la precisión de la elevación en cada píxel (precisión absoluta) y de la precisión con la que se presenta la morfología (precisión relativa). La evaluación de la calidad de los DEM se puede realizar comparando DEM de diferentes fuentes. [27] Varios factores desempeñan un papel importante en la calidad de los productos derivados de DEM:
Los usos comunes de los DEM incluyen:
Lanzado a principios de 2022, FABDEM ofrece una simulación de la superficie terrestre desnuda con una resolución de 30 segundos de arco. Adaptado de GLO-30, los datos eliminan todos los bosques y edificios. Los datos se pueden descargar de forma gratuita de forma no comercial y a través del sitio web del desarrollador con un coste comercial.
Está disponible un DEM global gratuito alternativo llamado GTOPO30 ( resolución de 30 segundos de arco , aproximadamente 1 km a lo largo del ecuador), pero su calidad es variable y en algunas áreas es muy pobre. Un DEM de mucha mayor calidad procedente del radiómetro espacial avanzado de emisión y reflexión térmica (ASTER) del satélite Terra también está disponible gratuitamente para el 99% del mundo y representa la elevación con una resolución de 30 metros . Anteriormente, una resolución similarmente alta solo estaba disponible para el territorio de los Estados Unidos según los datos de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), mientras que la mayor parte del resto del planeta solo estaba cubierta con una resolución de 3 segundos de arco (alrededor de 90 metros a lo largo del ecuador). . SRTM no cubre las regiones polares y tiene áreas montañosas y desérticas sin datos (vacías). Los datos SRTM, derivados del radar, representan la elevación de la primera superficie reflejada (muy a menudo las copas de los árboles). Por lo tanto, los datos no son necesariamente representativos de la superficie del suelo, sino de la parte superior de lo que el radar encuentra por primera vez.
Los datos de elevación submarina (conocidos como batimetría ) se generan mediante sondeos de profundidad montados en barcos . Cuando se combinan la topografía terrestre y la batimetría, se obtiene un modelo de relieve verdaderamente global . El conjunto de datos SRTM30Plus (utilizado en NASA World Wind ) intenta combinar GTOPO30, SRTM y datos batimétricos para producir un modelo de elevación verdaderamente global. [30] El modelo de relieve y topografía global Earth2014 [31] proporciona cuadrículas topográficas en capas con una resolución de 1 minuto de arco. Además de SRTM30plus, Earth2014 proporciona información sobre la altura de las capas de hielo y el lecho rocoso (es decir, la topografía debajo del hielo) sobre la Antártida y Groenlandia. Otro modelo global son los Datos globales de elevación del terreno de resolución múltiple 2010 (GMTED2010) con una resolución de 7,5 segundos de arco. Se basa en datos de SRTM y combina otros datos fuera de la cobertura de SRTM. Se espera un nuevo DEM global de publicaciones de menos de 12 m y una precisión de altura de menos de 2 m a partir de la misión del satélite TanDEM-X que comenzó en julio de 2010.
El espaciado de cuadrícula (ráster) más común es de entre 50 y 500 metros. En gravimetría, por ejemplo, la cuadrícula primaria puede ser de 50 m, pero cambia a 100 o 500 metros en distancias de aproximadamente 5 o 10 kilómetros.
Desde 2002, el instrumento HRS en SPOT 5 ha adquirido más de 100 millones de kilómetros cuadrados de pares estéreo utilizados para producir un DEM en formato DTED2 (con una publicación de 30 metros) y un DEM en formato DTED2 en más de 50 millones de km 2 . [32] MacDonald, Dettwiler and Associates Ltd. ha utilizado el satélite de radar RADARSAT-2 para proporcionar DEM a clientes comerciales y militares. [33]
En 2014, las adquisiciones de los satélites de radar TerraSAR-X y TanDEM-X estarán disponibles en forma de una cobertura global uniforme con una resolución de 12 metros. [34]
ALOS proporciona desde 2016 un DSM global de 1 segundo de arco de forma gratuita [35] y un DSM/DTM comercial de 5 metros. [36]
Muchas agencias cartográficas nacionales producen sus propios DEM, a menudo de mayor resolución y calidad, pero con frecuencia hay que comprarlos y el costo suele ser prohibitivo para todos, excepto para las autoridades públicas y las grandes corporaciones. Los DEM son a menudo un producto de programas nacionales de conjuntos de datos LIDAR .
También hay DEM gratuitos disponibles para Marte : el MEGDR, o registro de datos cuadriculados del experimento de misión, del instrumento Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) del Mars Global Surveyor ; y el Modelo Digital del Terreno de Marte (DTM) de la NASA. [37]
OpenTopography [38] es un recurso comunitario basado en la web para acceder a datos topográficos de alta resolución, orientados a las ciencias de la Tierra (datos LIDAR y DEM), y herramientas de procesamiento que se ejecutan en sistemas informáticos básicos y de alto rendimiento junto con recursos educativos. [39] OpenTopography tiene su sede en el Centro de Supercomputación de San Diego [40] de la Universidad de California en San Diego y se opera en colaboración con colegas de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona y UNAVCO. [41] El soporte operativo principal para OpenTopography proviene de la Fundación Nacional de Ciencias, División de Ciencias de la Tierra.
OpenDemSearcher es un Mapclient con visualización de regiones con DEM de resolución media y alta disponibles de forma gratuita. [42]
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