La cartografía del terreno o mapeo del relieve es la representación de la forma de la superficie de la Tierra en un mapa, utilizando una o más de varias técnicas que se han desarrollado. El terreno o relieve es un aspecto esencial de la geografía física y, como tal, su representación presenta un problema central en el diseño cartográfico y, más recientemente, en los sistemas de información geográfica y la geovisualización .
Los perfiles de colinas , la forma más antigua de representación en relieve en cartografía, son simplemente ilustraciones de montañas y colinas de perfil, colocadas según corresponda en mapas generalmente de pequeña escala (área de cobertura amplia). Rara vez se utilizan hoy en día, excepto como parte de un estilo "antiguo".
En 1921, AK Lobeck publicó Un diagrama fisiográfico de los Estados Unidos , utilizando una versión avanzada de la técnica del perfil de colinas para ilustrar la distribución de accidentes geográficos en un mapa a pequeña escala. [1] Erwin Raisz desarrolló, estandarizó y enseñó aún más esta técnica, que utiliza textura generalizada para imitar formas de relieve en un área grande. [2] Este estilo de representación del terreno, una combinación de perfil de colina y relieve sombreado, es simultáneamente idiosincrásico para su creador (a menudo pintado a mano) y resulta revelador al ilustrar patrones geomorfológicos .
Más recientemente, Tom Patterson desarrolló una técnica generada por computadora para mapear el terreno inspirada en el trabajo de Raisz, llamada plano de relieve oblicuo . [3] Esta herramienta comienza con una imagen en relieve sombreada y luego desplaza los píxeles hacia el norte en proporción a su elevación. El efecto es hacer que las montañas "se levanten" y "se coloquen sobre" las características del norte, de la misma manera que los perfiles de las colinas. Algunos espectadores pueden ver el efecto más fácilmente que otros.
Los hachures , estandarizados por primera vez por el topógrafo austriaco Johann Georg Lehmann en 1799, son una forma de sombreado que utiliza líneas. Muestran la orientación de la pendiente y, por su espesor y densidad general, proporcionan una sensación general de pendiente. Al no ser numéricos, son menos útiles para un estudio científico que los contornos, pero pueden comunicar con éxito formas de terreno bastante específicas. [2] Son especialmente eficaces para mostrar un relieve relativamente bajo, como colinas. Fue un estándar en los mapas topográficos de Alemania hasta bien entrado el siglo XX.
Ha habido múltiples intentos de recrear esta técnica utilizando datos SIG digitales, con resultados mixtos.
Desarrolladas por primera vez en Francia en el siglo XVIII, las líneas de contorno (o isohipses) son isolíneas de igual elevación. Esta es la forma más común de visualizar la elevación cuantitativamente y resulta familiar en los mapas topográficos .
La mayoría de los estudios nacionales del siglo XVIII y principios del XIX no registraron el relieve en toda el área de cobertura, calculando solo elevaciones puntuales en los puntos del estudio. Los mapas topográficos del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) incluían representaciones de contorno del relieve, por lo que los mapas que muestran el relieve, especialmente con una representación exacta de la elevación, pasaron a denominarse mapas topográficos (o mapas "topo") en los Estados Unidos , y el uso se ha extendido internacionalmente.
En los mapas producidos por Swisstopo , el color de las curvas de nivel se utiliza para indicar el tipo de terreno: negro para roca desnuda y pedregal , azul para hielo y contornos submarinos, y marrón para terreno cubierto de tierra. [4]
La técnica de curvas de nivel Tanaka (relieve) es un método utilizado para iluminar curvas de nivel con el fin de ayudar a visualizar el terreno. Las líneas están resaltadas o sombreadas según su relación con una fuente de luz en el noroeste. Si el objeto que se ilustra sombrearía una sección de la línea de contorno, ese contorno se representaría con una banda negra. De lo contrario, las pendientes orientadas hacia la fuente de luz se representarían con bandas blancas.
Este método fue desarrollado por el profesor Tanaka Kitiro en 1950, pero ya se había experimentado con él en 1870, con poco éxito debido a las limitaciones tecnológicas en la impresión. El terreno resultante en este punto era una imagen en escala de grises. [5] El cartógrafo Berthold Horn creó más tarde un software para producir digitalmente Tanaka Contours, y Patrick Kennelly, otro cartógrafo, encontró más tarde una manera de agregar color a estos mapas, haciéndolos más realistas. [6]
Hay una serie de problemas con este método. Históricamente, la tecnología de impresión no reproducía bien los contornos de Tanaka, especialmente las líneas blancas sobre un fondo gris. Este método también requiere mucho tiempo. Además, la apariencia de terrazas no parece atractiva ni precisa en algunos tipos de terreno. [7]
Los tintes hipsométricos (también llamados tinte de capa, tinte de elevación, coloración de elevación o coloración hisométrica) son colores colocados entre las líneas de contorno para indicar la elevación . Estos tintes se muestran como bandas de color en un esquema graduado o como un esquema de color aplicado a las propias líneas de contorno; cualquiera de los métodos se considera un tipo de mapa isarítmico . El teñido hipsométrico de mapas y globos terráqueos suele ir acompañado de un método similar de teñido batimétrico para transmitir las diferencias en la profundidad del agua.
El relieve sombreado , o sombreado de colinas, muestra la forma del terreno de manera realista al mostrar cómo se iluminaría la superficie tridimensional desde una fuente de luz puntual. Las sombras normalmente siguen la convención de iluminación superior izquierda en la que la fuente de luz se coloca cerca de la esquina superior izquierda del mapa. Si el mapa está orientado con el norte en la parte superior, el resultado es que la luz parece provenir del noroeste. Aunque se trata de una iluminación poco realista en el hemisferio norte, el uso de una fuente de luz del sur puede provocar ilusiones de percepción multiestable , en las que la topografía aparece invertida. [8]
El relieve sombreado se dibujaba tradicionalmente con carboncillo , aerógrafo y otros medios artísticos. El cartógrafo suizo Eduard Imhof es ampliamente considerado un maestro en la técnica y la teoría del sombreado manual de colinas. Hoy en día, el relieve sombreado se genera casi exclusivamente por computadora a partir de modelos de elevación digitales (DEM). La base matemática del sombreado analítico es calcular la superficie normal en cada ubicación y luego calcular el ángulo entre ese vector y el vector que apunta a la iluminación utilizando el producto escalar ; cuanto más pequeño sea ese ángulo, más iluminación recibirá esa ubicación. Sin embargo, la mayoría de las implementaciones de software utilizan algoritmos que acortan esos cálculos. Esta herramienta está disponible en una variedad de software de gráficos y SIG, incluidos Photoshop , QGIS , GRASS GIS o la extensión Spatial Analyst de ArcMap .
Si bien estas herramientas relativamente simples han hecho que el relieve sombreado sea casi omnipresente en los mapas, muchos cartógrafos [ palabras de comadreja ] no están satisfechos con el producto, [ ¿cuál? ] y han desarrollado técnicas para mejorar su apariencia, incluidas las siguientes:
Las contribuciones de Imhof incluyeron un enfoque multicolor para el sombreado, con morados en los valles y amarillos en los picos, lo que se conoce como "sombreado iluminado". Iluminar los lados del terreno frente a la fuente de luz con colores amarillos proporciona un mayor realismo (ya que la luz solar directa es más amarilla y la luz ambiental es más azul), mejora la sensación de la naturaleza tridimensional del terreno y hace que el mapa sea más estéticamente agradable y de aspecto artístico. [9] Se ha trabajado mucho en la recreación digital de la obra de Eduard Imhof , que en algunos casos ha tenido bastante éxito. [10]
Una crítica común al sombreado analítico generado por computadora es su aspecto austero y artificial, en el que las pendientes que miran hacia la luz son de color blanco sólido y las pendientes que miran hacia afuera son de color negro sólido. Raisz lo llamó "sombreado plástico" y otros han dicho que parece un paisaje lunar. [2] Una solución es incorporar múltiples direcciones de iluminación para imitar el efecto de la iluminación ambiental, creando un producto de apariencia mucho más realista. Se han propuesto múltiples técnicas para hacer esto, incluido el uso de software de sistemas de información geográfica para generar múltiples imágenes en relieve sombreadas y promediarlas juntas, el uso de software de modelado 3D para representar el terreno , [11] y herramientas de software personalizadas para imitar la iluminación natural usando hasta cientos de fuentes individuales. [12] Se ha descubierto que esta técnica es más eficaz para terrenos muy accidentados a escalas medias de 1:30.000 a 1:1.000.000.
Es posible hacer que el terreno parezca más realista imitando el aspecto tridimensional no sólo de la superficie desnuda del terreno, sino también de los elementos que cubren esa superficie, como edificios y plantas. El mapeo de texturas o mapeo de relieve es una técnica adaptada de los gráficos por computadora que agrega una capa de textura sombreada al relieve de la superficie sombreada que imita el aspecto de la cubierta terrestre local. [13] Esta textura se puede generar de varias maneras:
Esta técnica es más útil para producir mapas realistas a escalas relativamente grandes, de 1:5.000 a 1:50.000.
Un desafío con el relieve sombreado, especialmente a escalas pequeñas (1:500.000 o menos), es que la técnica es muy buena para visualizar el relieve local (alta frecuencia), pero puede no mostrar de manera efectiva características más grandes. Por ejemplo, una zona accidentada de colinas y valles mostrará tanta o más variación que una montaña grande y lisa. El aumento de resolución es una técnica híbrida desarrollada por el cartógrafo de NPS Tom Patterson para mitigar este problema. [16] Un DEM de resolución fina se promedia con una versión muy suavizada (es decir, una resolución significativamente más gruesa). Cuando se aplica el algoritmo de sombreado, tiene el efecto de combinar los detalles finos del modelo de terreno original con las características más amplias resaltadas por el modelo suavizado. Esta técnica funciona mejor a pequeña escala y en regiones consistentemente accidentadas.
Una vista tridimensional (proyectada sobre un medio bidimensional) de la superficie de la Tierra, junto con los accidentes geográficos que descansan sobre ella. Las vistas aéreas imaginarias de ciudades se produjeron por primera vez a finales de la Edad Media , pero estas "vistas a vista de pájaro" se hicieron muy populares en los Estados Unidos durante el siglo XIX. La llegada de los SIG (especialmente los avances recientes en 3-D y visualización global) y el software de modelado de gráficos 3-D ha hecho que la producción de vistas aéreas realistas sea relativamente fácil, aunque la ejecución de un diseño cartográfico de calidad en estos modelos sigue siendo un desafío. [17]
Se trata de un mapa en el que el relieve se muestra como un objeto tridimensional. La forma más intuitiva de representar el relieve es imitarlo a escala. Los dioramas hechos a mano pueden remontarse al año 200 a. C. en China, pero la producción en masa no estuvo disponible hasta la Segunda Guerra Mundial con la invención de mapas de plástico formados al vacío y el mecanizado computarizado para crear moldes de manera eficiente. El mecanizado también se utiliza para crear grandes modelos personalizados a partir de sustratos como espuma de alta densidad, e incluso puede colorearlos basándose en fotografías aéreas colocando un cabezal de impresión de inyección de tinta en el dispositivo de mecanizado. La llegada de la impresión 3D ha introducido un medio mucho más económico para producir mapas en relieve, aunque la mayoría de las impresoras 3D son demasiado pequeñas para producir dioramas grandes de manera eficiente. [18]
La representación del terreno cubre una variedad de métodos para representar superficies del mundo real o imaginario . La representación del terreno más común es la representación de la superficie de la Tierra . Se utiliza en diversas aplicaciones para darle al observador un marco de referencia . También se utiliza a menudo en combinación con renderizado de objetos no terrestres, como árboles , edificios , ríos , etc.
Hay dos modos principales de renderizado del terreno: renderizado de arriba hacia abajo y en perspectiva . La representación del terreno de arriba hacia abajo se conoce desde hace siglos en la forma de mapas cartográficos . La representación del terreno en perspectiva también se conoce desde hace bastante tiempo. Sin embargo, sólo con la llegada de las computadoras y la representación en perspectiva de gráficos por computadora se ha convertido en algo común.
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Una aplicación típica de renderizado del terreno consta de una base de datos del terreno , una unidad central de procesamiento (CPU), una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) dedicada y una pantalla. Una aplicación de software está configurada para comenzar en la ubicación inicial en el espacio mundial . El resultado de la aplicación es una representación espacial del mundo real en una pantalla. La aplicación de software utiliza la CPU para identificar y cargar datos del terreno correspondientes a la ubicación inicial desde la base de datos del terreno, luego aplica las transformaciones requeridas para construir una malla de puntos que puede ser renderizada por la GPU, que completa las transformaciones geométricas y crea objetos en el espacio de la pantalla ( como polígonos ) que crean una imagen que se parece mucho a la ubicación del mundo real.
Hay varias formas de texturizar la superficie del terreno. Algunas aplicaciones se benefician del uso de texturas artificiales, como coloración de elevación, tablero de ajedrez u otras texturas genéricas. Algunas aplicaciones intentan recrear la superficie del mundo real con la mejor representación posible utilizando fotografías aéreas e imágenes de satélite .
En los videojuegos , las salpicaduras de textura se utilizan para texturizar la superficie del terreno.
Existe una gran variedad de métodos para generar superficies de terreno. El principal problema resuelto por todos estos métodos es la gestión del número de polígonos procesados y renderizados. Es posible crear una imagen muy detallada del mundo utilizando miles de millones de puntos de datos. Sin embargo, dichas aplicaciones se limitan a imágenes estáticas. La mayoría de los usos de la representación del terreno son imágenes en movimiento, que requieren que la aplicación de software tome decisiones sobre cómo simplificar (descartando o aproximando) los datos del terreno de origen. Prácticamente todas las aplicaciones de renderizado de terreno utilizan el nivel de detalle para administrar la cantidad de puntos de datos procesados por la CPU y la GPU. Existen varios algoritmos modernos para generar superficies de terreno. [19] [20] [21] [22]
La representación del terreno se utiliza ampliamente en los juegos de computadora para representar tanto la superficie de la Tierra como los mundos imaginarios. Algunos juegos también tienen deformación del terreno (o terreno deformable).
Una aplicación importante de la representación del terreno son los sistemas de visión sintética . Los pilotos que vuelan aviones se benefician enormemente de la capacidad de ver la superficie del terreno en todo momento, independientemente de las condiciones exteriores del avión.
Destaca la divisoria de drenaje hidrológico y los arroyos de cuenca.
La representación del relieve es especialmente importante en las regiones montañosas . La Comisión de Cartografía de Montañas de la Asociación Cartográfica Internacional es el foro más conocido para el debate sobre teorías y técnicas para cartografiar estas regiones.
