Modelos Digitales de Elevación (DEM)

En nuestro día a día, a menudo damos por sentado la forma del terreno que nos rodea. Montañas, valles, llanuras... estas características geográficas definen paisajes, influyen en el clima y son cruciales para la planificación urbana, la gestión de recursos naturales y un sinfín de aplicaciones más. Pero, ¿cómo representamos digitalmente esta compleja superficie terrestre? Aquí es donde entran en juego los Modelos Digitales de Elevación, o DEM por sus siglas en inglés (Digital Elevation Model).

Un DEM es, en esencia, una representación ráster de la superficie del terreno. Imagina una cuadrícula, como una imagen digital, donde cada celda no contiene un color, sino un valor numérico que representa la elevación de ese punto específico sobre el nivel del mar. Esta estructura cuadriculada permite a las computadoras y sistemas de información geográfica (SIG) procesar y analizar la topografía de manera eficiente.

En Estados Unidos, el Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) ha sido históricamente un productor clave de datos de elevación. Inicialmente, crearon el Conjunto Nacional de Elevación (NED - National Elevation Dataset), que sirvió como fuente primaria de datos de elevación a nivel nacional. Más recientemente, el NED se ha integrado en un producto de datos de elevación más nuevo y completo del USGS, conocido como el Programa de Elevación 3D (3DEP - 3D Elevation Program). Aunque 3DEP representa el estado actual, entender las características de los DEM tradicionales producidos por el USGS nos da una base sólida para comprender estos datos.

Los DEM del USGS son, como mencionamos, cuadrículas raster de valores de elevación. Estos valores se organizan en una serie de perfiles que se extienden de sur a norte. Al igual que otros datos del USGS, los DEM se produjeron originalmente en "mosaicos" que correspondían a los cuadrángulos topográficos, que son las áreas geográficas que cubren los mapas tradicionales. Se produjeron series a gran escala (cuadrángulos de 7.5 y 15 minutos), escala intermedia (30 minutos) y pequeña escala (1 grado) para todo Estados Unidos.

La resolución de un DEM es un factor crítico que determina el nivel de detalle del terreno que puede representar. Se define por el espaciado este-oeste de los perfiles y el espaciado sur-norte de los puntos de elevación dentro de cada perfil. Una resolución más alta significa celdas más pequeñas y, por lo tanto, una representación más detallada del terreno.

Para los DEM que corresponden a cuadrángulos de 7.5 minutos, la resolución típica es de 10 metros para gran parte de EE. UU., aunque la cobertura completa a nivel nacional está garantizada a 30 metros de resolución. En estos DEM a gran escala, los perfiles de elevación están alineados paralelamente al meridiano central de la zona UTM local. Esto puede hacer que el mosaico del DEM parezca inclinado en algunas visualizaciones. ¿Por qué ocurre esto? Porque los puntos de esquina del mosaico se definen utilizando coordenadas geográficas no proyectadas que corresponden a las esquinas del cuadrángulo topográfico del USGS. Cuanto más lejos esté el cuadrángulo del meridiano central de la zona UTM, más pronunciada será la inclinación aparente cuando se visualiza en esa proyección.

La disposición de los perfiles de elevación es diferente en los DEM de escala intermedia (30 minutos) y pequeña (1 grado). En estos casos, los perfiles convergen hacia el norte, de manera similar a como lo hacen los meridianos en el hemisferio norte. Debido a esta convergencia, la resolución de los DEM de escala intermedia y pequeña se expresa de forma diferente a la de los DEM a gran escala. En lugar de metros, la resolución se da en segundos de arco. Los DEM de 30 minutos tienen una resolución de 2 segundos de arco, mientras que los DEM de 1 grado tienen 3 segundos de arco.

Para entender qué significa esto en términos de distancia sobre el terreno, recordemos que un segundo de arco es 1/3600 de un grado. Así, en un DEM de 3 segundos de arco, los valores de elevación están espaciados 1/1200 de grado. A 45º de latitud, esto representa una celda de aproximadamente 66 metros de "ancho" por 93 metros de "alto". Como se puede ver, la forma de la celda y su tamaño en metros varían con la latitud en este tipo de DEM.

Para ayudarte a visualizar las diferentes escalas y resoluciones de los DEMs tradicionales del USGS, aquí tienes un resumen:

Es importante recordar que estas son las características de los DEMs tradicionales. El programa 3DEP actualiza y mejora esta oferta con resoluciones más finas y métodos de adquisición más modernos.

La forma preferida para producir los valores de elevación que llenan los perfiles de un DEM es mediante la interpolación a partir de capas de hidrografía e hipsografía de los Datos de Línea Digital (DLG). Incluir la capa de hidrografía es importante porque ayuda a delinear valles con mayor certeza que si solo se usara la hipsografía (curvas de nivel). Sin embargo, algunos DEM más antiguos se produjeron de otras maneras: a partir de contornos de elevación digitalizados de mapas en papel, o durante el procesamiento fotogramétrico (usando pares de fotografías aéreas), y luego se suavizaron para filtrar errores. Otros se produjeron directamente de forma fotogramétrica a partir de fotografías aéreas.

La calidad de los datos de elevación es crucial para su uso. La precisión vertical de los DEM se expresa utilizando el error cuadrático medio (RMSE - Root Mean Square Error). El RMSE se calcula a partir de una muestra de puntos de elevación conocidos (puntos de control) y mide la diferencia promedio entre la elevación del DEM y la elevación real en esos puntos. Para los DEM a gran escala del USGS, la precisión objetivo es de siete metros, y el error máximo permitido es de 15 metros. Es importante verificar la precisión de un DEM antes de utilizarlo para aplicaciones críticas.

Otro aspecto importante es la información de referencia espacial. Al igual que los datos DLG, los DEM del USGS pueden ser heterogéneos en cuanto a sus sistemas de referencia. Generalmente, están proyectados en la Proyección Universal Transversal de Mercator (UTM) utilizada en la zona UTM local correspondiente al área del mosaico. En cuanto a los datums horizontales, algunos DEM se basan en el Datum Norteamericano de 1983 (NAD 83), mientras que otros más antiguos utilizan el NAD 27. Para las elevaciones, es decir, el datum vertical, algunos DEM se refieren al Nivelación Geodésica Nacional de 1929 (NGVD 29), y otros al Datum de Nivelación Norteamericano de 1988 (NAVD 88). Esta variedad significa que, al trabajar con múltiples mosaicos de DEM, es posible que necesite reproyectar o transformar los datos para que todos estén en el mismo sistema de referencia y datum.

La estructura interna de los datos de un DEM del USGS es relativamente simple. Cada registro en el archivo representa un perfil de puntos de elevación. Estos registros incluyen las coordenadas UTM del punto inicial de ese perfil, el número de puntos de elevación que siguen en ese perfil y, por supuesto, los valores numéricos de elevación para cada punto. No es necesario codificar las posiciones de todos los puntos de elevación dentro de un perfil, ya que su espaciado (la resolución) ya está definido para todo el mosaico. Esto hace que los archivos sean más compactos.

Acceder a los datos DEM hoy en día es relativamente fácil. Los mosaicos de DEM están disponibles para descarga gratuita a través de numerosos centros de intercambio de datos estatales y regionales. Una fuente importante a nivel federal es el sitio Data.Gov, que integró el anterior sitio Geospatial One Stop. A través de estos portales, puedes buscar y descargar los datos que necesitas para tu área de interés.

Como parte de su iniciativa del "National Map", el USGS ha desarrollado un conjunto de productos de datos de elevación más modernos, derivados no solo de los DEM tradicionales, sino también de tecnologías más avanzadas como el lidar (detección y alcance de luz) y otras fuentes. El Conjunto Nacional de Elevación (NED) sigue siendo una parte fundamental, pero ahora se ofrece en el marco del Programa de Elevación 3D (3DEP). Los datos 3DEP están disponibles en varias resoluciones, que incluyen 1 segundo de arco (aproximadamente 30 metros), 1/3 de segundo de arco (aproximadamente 10 metros) y 1/9 de segundo de arco (aproximadamente 3 metros). La cobertura de estos datos varía; es completa a 1 segundo de arco, pero puede ser muy dispersa a la resolución más alta de 1/9 de segundo de arco, ya que la adquisición de datos lidar a esa densidad es un proceso continuo y costoso. A partir de 2020, la gestión de todos los productos de datos de elevación del USGS se consolida bajo el programa 3DEP, que busca completar la cobertura de elevación de alta resolución para todo EE. UU.

Los DEM no son solo números; son la base para crear visualizaciones impactantes y análisis complejos. Software como Global Mapper, ArcGIS, QGIS (software libre) y otros, permiten abrir y trabajar con estos datos. Puedes visualizar un DEM simplemente mostrando los valores de elevación como una escala de grises o colores. Una técnica de visualización muy común y útil es el sombreado de relieve ("hill shading"), que simula la iluminación del terreno desde una fuente de luz (generalmente el sol) para resaltar las formas del relieve como colinas, valles y crestas. Esto transforma la cuadrícula numérica en una imagen intuitiva del paisaje. También es posible exagerar verticalmente el terreno para hacer que las sutiles variaciones de elevación sean más evidentes, algo muy útil en áreas con poco relieve.

La capacidad de trabajar con DEMs permite a los usuarios realizar una amplia gama de análisis espaciales. Por ejemplo, se pueden calcular pendientes y orientaciones (aspecto) del terreno, generar curvas de nivel, determinar cuencas hidrográficas, simular inundaciones, planificar rutas de construcción o incluso analizar la visibilidad desde un punto específico. Estos análisis son fundamentales en campos como la hidrología, la silvicultura, la geología, la planificación urbana, la ingeniería civil y la respuesta a emergencias.

El proceso de descarga de datos 3DEP a través de herramientas como el National Map Download Tool del USGS es sencillo. Generalmente, seleccionas un área de interés en un mapa, especificas los tipos de datos de elevación y las resoluciones que deseas (por ejemplo, datos 3DEP en formato ArcGrid), y la herramienta te proporciona enlaces para descargar los archivos, a menudo empaquetados en formato ZIP. Estos archivos ZIP a menudo pueden ser abiertos directamente por el software SIG sin necesidad de descompresión previa.

En resumen, los Modelos Digitales de Elevación son herramientas esenciales en el mundo de la información geográfica. Proporcionan una representación digital y analizable de la superficie terrestre, permitiendo desde la visualización básica del terreno hasta análisis espaciales complejos. Los esfuerzos continuos de organizaciones como el USGS a través de programas como 3DEP aseguran que los datos de elevación de alta calidad estén cada vez más disponibles para una amplia gama de usuarios y aplicaciones, ayudándonos a entender y gestionar mejor el mundo físico en el que vivimos.

Preguntas Frecuentes:

¿Cuál es la diferencia entre un DEM y un DTM o DSM?
Aunque a veces se usan indistintamente, técnicamente un DEM (Modelo Digital de Elevación) representa la superficie del terreno desnudo, sin vegetación ni edificaciones. Un DTM (Modelo Digital del Terreno) es similar al DEM pero a menudo incluye características adicionales del terreno como líneas de ríos o carreteras. Un DSM (Modelo Digital de Superficie) representa la superficie superior de todo lo que hay en el terreno, incluyendo árboles, edificios y otras estructuras.

¿Por qué la resolución de algunos DEMs se mide en segundos de arco y otros en metros?
Esto depende de la escala y la proyección utilizada. Los DEMs a gran escala (como los de 7.5 minutos) a menudo se producen y distribuyen en una proyección de mapa (como UTM), donde las distancias se miden en metros. Los DEMs a pequeña escala (como los de 1 grado) a menudo se basan más directamente en coordenadas geográficas (latitud/longitud), donde las distancias se miden en grados o segundos de arco. La distancia lineal que representa un segundo de arco varía con la latitud, mientras que una celda de 30 metros mantiene su tamaño lineal.

¿Qué significa RMSE en la calidad de los datos DEM?
RMSE significa Error Cuadrático Medio (Root Mean Square Error). Es una medida estadística que indica la diferencia promedio entre los valores de elevación en el DEM y los valores de elevación reales (medidos en puntos de control de mayor precisión). Un RMSE bajo indica una mayor precisión vertical del DEM.

¿Los datos DEM del USGS son gratuitos?
Sí, los datos de elevación producidos por el USGS, incluyendo los datos NED y 3DEP, están disponibles para descarga gratuita a través de portales como Data.Gov y el National Map Download Tool.

¿Por qué un mosaico DEM del USGS puede parecer inclinado en un SIG?
Esto ocurre típicamente con los DEM a gran escala (7.5 minutos) que se basan en cuadrángulos topográficos definidos por coordenadas geográficas (latitud/longitud) en sus esquinas. Cuando estos datos se visualizan en una proyección de mapa como UTM, que alinea el norte con el meridiano central de la zona, el mosaico puede parecer inclinado si está lejos de ese meridiano central. Los datos en sí no están mal, es una consecuencia de cómo se definieron los límites del mosaico original y la proyección utilizada para la visualización o el almacenamiento.

¿Son los DEMs solo útiles para geógrafos o topógrafos?
Aunque son herramientas fundamentales en esos campos, los DEMs tienen aplicaciones mucho más amplias. Se utilizan en agricultura de precisión, telecomunicaciones (análisis de cobertura de señal), planificación de infraestructura, estudios ambientales, gestión de riesgos de desastres (inundaciones, deslizamientos de tierra), incluso en videojuegos y simulaciones. Cualquier aplicación que necesite entender la forma del terreno puede beneficiarse del uso de un DEM.

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