Geomorfometría , o geomorfometría ( griego antiguo : γῆ , romanizado : gê , lit. 'tierra' + griego antiguo : μορφή , romanizado : morphḗ , lit. 'forma, figura' + griego antiguo : μέτρον , romanizado : métron , lit. 'medida '), es la ciencia y práctica de medir las características del terreno , la forma de la superficie de la Tierra y los efectos de esta forma superficial en la geografía humana y natural. [1] Reúne diversas técnicas matemáticas, estadísticas y de procesamiento de imágenes que pueden utilizarse para cuantificar aspectos morfológicos, hidrológicos, ecológicos y otros de una superficie terrestre. Sinónimos comunes de geomorfometría son análisis geomorfológico (después de geomorfología ), morfometría del terreno , análisis del terreno y análisis de la superficie terrestre . La geomorfometría es la disciplina basada en las medidas computacionales de la geometría , topografía y forma de los horizontes de la Tierra , y su cambio temporal . [2] Este es un componente importante de los sistemas de información geográfica (SIG) y otras herramientas de software para el análisis espacial.
En términos simples, la geomorfometría tiene como objetivo extraer parámetros de la superficie (terrestre) (morfométricos, hidrológicos, climáticos, etc.) y objetos (cuencas, redes de arroyos, accidentes geográficos, etc.) utilizando un modelo digital de superficie terrestre (también conocido como modelo de elevación digital , DEM). y software de parametrización. [3] Los parámetros y objetos de superficie extraídos se pueden utilizar, por ejemplo, para mejorar el mapeo y modelado de suelos, vegetación, uso de la tierra, características geomorfológicas y geológicas y similares.
Con el rápido aumento de las fuentes de DEM en la actualidad (y especialmente debido a la misión Shuttle Radar Topography Mission y los proyectos basados en LIDAR ), la extracción de parámetros de la superficie terrestre se está volviendo cada vez más atractiva para numerosos campos que van desde la agricultura de precisión , la modelización de suelos y paisajes, Aplicaciones climáticas e hidrológicas a la planificación urbana, la educación y la investigación espacial. Actualmente se han muestreado o escaneado la topografía de casi toda la Tierra, de modo que los DEM están disponibles con resoluciones de 100 mo mejores a escala global. Los parámetros de la superficie terrestre se utilizan hoy con éxito para la modelización estocástica y basada en procesos, siendo la única cuestión pendiente el nivel de detalle y la precisión vertical del DEM.
Aunque la geomorfometría comenzó con ideas de Brisson (1808) y Gauss (1827), el campo no evolucionó mucho hasta el desarrollo de conjuntos de datos SIG y DEM en la década de 1970. [4]
La geomorfología (que se centra en los procesos que modifican la superficie terrestre) tiene una larga historia como concepto y área de estudio, siendo la geomorfometría una de las disciplinas relacionadas más antiguas. [5] La geomática es una subdisciplina evolucionada más recientemente, y aún más reciente es el concepto de geomorfometría. Esto se ha desarrollado recientemente debido a la disponibilidad de un software de sistema de información geográfica (GIS) más flexible y capaz, así como un modelo de elevación digital (DEM) de mayor resolución. [6] Es una respuesta al desarrollo de esta tecnología SIG para recopilar y procesar datos DEM (por ejemplo, la teledetección , el programa Landsat y la fotogrametría ). Aplicaciones recientes proceden de la integración de la geomorfometría con variables de análisis de imágenes digitales obtenidas mediante teledetección aérea y satelital . [7] A medida que la red irregular triangulada (TIN) surgió como un modelo alternativo para representar la superficie del terreno, se desarrollaron los algoritmos correspondientes para derivar mediciones a partir de ella.
A partir de la superficie del terreno se pueden derivar una variedad de mediciones básicas, generalmente aplicando las técnicas de cálculo vectorial . Dicho esto, los algoritmos que normalmente se utilizan en SIG y otro software utilizan cálculos aproximados que producen resultados similares en mucho menos tiempo con conjuntos de datos discretos que los métodos de función continua pura. [8] Se han desarrollado muchas estrategias y algoritmos, cada uno de los cuales tiene ventajas y desventajas. [9] [10] [11]
La superficie normal en cualquier punto de la superficie del terreno es un rayo vectorial perpendicular a la superficie. El gradiente de la superficie ( ) es el rayo vectorial que es tangente a la superficie, en la dirección de la pendiente más pronunciada hacia abajo.
La pendiente o pendiente es una medida de qué tan empinado es el terreno en cualquier punto de la superficie, desviándose de una superficie horizontal. En principio, es el ángulo entre el vector gradiente y el plano horizontal, dado como medida angular α (común en aplicaciones científicas) o como relación , comúnmente expresada como porcentaje, tal que p = tan α . Este último se utiliza habitualmente en aplicaciones de ingeniería, como la construcción de carreteras y ferrocarriles.
Para obtener la pendiente a partir de un modelo de elevación digital ráster es necesario calcular una aproximación discreta de la derivada de la superficie basada en la elevación de una celda y las de las celdas circundantes, y se han desarrollado varios métodos. [12] Por ejemplo, el método Horne, implementado en ArcGIS , utiliza la elevación de una celda y sus ocho vecinos inmediatos, espaciados por el tamaño de la celda o la resolución r : [13] [14]
Luego, las derivadas parciales se aproximan como promedios ponderados de las diferencias entre los lados opuestos:
Luego, la pendiente (en porcentaje) se calcula utilizando el teorema de Pitágoras :
La segunda derivada de la superficie (es decir, la curvatura) se puede derivar utilizando cálculos análogos similares.
El aspecto del terreno en cualquier punto de la superficie es la dirección hacia la que "mira" la pendiente, o la dirección cardinal de la pendiente descendente más pronunciada. En principio, se trata de la proyección de la pendiente sobre la pendiente horizontal. En la práctica, utilizando un modelo de elevación digital ráster , se aproxima utilizando uno de los mismos métodos de aproximación de derivada parcial desarrollados para la pendiente. [12] Entonces el aspecto se calcula como: [15]
Esto produce un rumbo en sentido antihorario, con 0° al este.
Otro producto útil que se puede derivar de la superficie del terreno es una imagen en relieve sombreado , que se aproxima al grado de iluminación de la superficie procedente de una fuente de luz procedente de una dirección determinada. En principio, el grado de iluminación es inversamente proporcional al ángulo entre el vector normal a la superficie y el vector de iluminación; cuanto más amplio es el ángulo entre los vectores, más oscuro es ese punto en la superficie. En la práctica, se puede calcular a partir de la pendiente α y la orientación β , en comparación con la altitud correspondiente φ y el acimut θ de la fuente de luz: [16]
La imagen resultante rara vez es útil para fines analíticos, pero se usa más comúnmente como una visualización intuitiva de la superficie del terreno, porque parece un modelo tridimensional iluminado de la superficie.
Las características naturales del terreno, como montañas y cañones, a menudo pueden reconocerse como patrones de elevación y sus propiedades derivadas. Los patrones más básicos incluyen ubicaciones donde el terreno cambia abruptamente, como picos (máximos de elevación local), hoyos (mínimos de elevación local), crestas (máximos lineales), canales (mínimos lineales) y pasos (las intersecciones de crestas y canales). .
Debido a las limitaciones de resolución , orientación de ejes y definiciones de objetos, los datos espaciales derivados pueden dar significado con observación subjetiva o parametrización , o alternativamente procesarse como datos borrosos para manejar los diferentes errores que contribuyen de manera más cuantitativa, por ejemplo, con una probabilidad general del 70%. de un punto que representa el pico de una montaña dados los datos disponibles, en lugar de una suposición fundamentada para hacer frente a la incertidumbre. [17]
En muchas aplicaciones resulta útil saber cuánto varía la superficie en cada zona local. Por ejemplo, es posible que sea necesario distinguir entre áreas montañosas y altas mesetas, las cuales son de gran elevación, pero con diferentes grados de "aspereza". El relieve local de una celda es una medida de esta variabilidad en el vecindario circundante (generalmente las celdas dentro de un radio determinado), para lo cual se han utilizado varias medidas, incluidas estadísticas de resumen simples como el rango total de valores en el vecindario, un rango intercuantil o desviación estándar. También se han desarrollado fórmulas más complejas para capturar variaciones más sutiles. [18]
El análisis cuantitativo de superficies mediante geomorfometría proporciona una variedad de herramientas para científicos y administradores interesados en la gestión de la tierra. [19] Las áreas de aplicación incluyen:
En muchas situaciones, el terreno puede tener un efecto profundo en los ambientes locales, especialmente en climas semiáridos y áreas montañosas, incluidos efectos bien conocidos como la zonificación altitudinal y el efecto Pendiente . Esto puede convertirlo en un factor importante en el modelado y mapeo de microclimas , distribución de la vegetación , hábitat de la vida silvestre y agricultura de precisión .
Debido al simple hecho de que el agua fluye cuesta abajo, las derivadas de la superficie del terreno pueden predecir el flujo de la corriente superficial. Esto se puede utilizar para construir redes de arroyos, delinear cuencas de drenaje y calcular la acumulación de flujo total.
Las montañas y otros accidentes geográficos pueden bloquear la visibilidad entre ubicaciones en lados opuestos. Predecir este efecto es una herramienta valiosa para aplicaciones tan variadas como tácticas militares y localización de emplazamientos celulares . Las herramientas comunes en el software de análisis del terreno incluyen calcular la visibilidad de la línea de visión entre dos puntos y generar una cuenca visual , la región de todos los puntos que son visibles desde un solo punto. [20]
Muchos proyectos de construcción requieren modificaciones significativas de la superficie del terreno, incluida la eliminación y adición de material. Al modelar la superficie actual y diseñada, los ingenieros pueden calcular el volumen de cortes y terraplenes, y predecir problemas potenciales como la estabilidad de la pendiente y el potencial de erosión.
Como rama relativamente nueva y desconocida de los SIG, el tema de la geomorfometría tiene pocas figuras pioneras "famosas", como ocurre con otros campos como la hidrología ( Robert Horton ) o la geomorfología ( GK Gilbert [21] ). En el pasado, la geomorfometría se ha utilizado en una amplia gama de estudios (incluidos algunos artículos de geomorfología de alto perfil de académicos como Evans, Leopold y Wolman), pero sólo recientemente los profesionales de los SIG han comenzado a integrarla en su trabajo. [22] [23] No obstante, investigadores como Andy Turner y Joseph Wood lo utilizan cada vez más.
Las grandes instituciones están desarrollando cada vez más aplicaciones geomorfométricas basadas en SIG, siendo un ejemplo la creación de un paquete de software para geomorfometría basado en Java en asociación con la Universidad de Leeds .
Las instituciones académicas están dedicando cada vez más recursos a la formación en geomorfometría y a cursos específicos, aunque actualmente todavía se limitan a unas pocas universidades y centros de formación. Los más accesibles en la actualidad incluyen la biblioteca de recursos de geomorfometría en línea en conjunto con la Universidad de Leeds y conferencias y prácticas impartidas como parte de módulos SIG más amplios, los más completos que se ofrecen actualmente en la Universidad de Columbia Británica (supervisada por Brian Klinkenberg) y en Dalhousie. Universidad .
El siguiente software informático tiene módulos o extensiones especializados en análisis del terreno (enumerados en orden alfabético):
