8.4: Análisis de Superficie - Mapeo del Terreno

Objetivos de aprendizaje

• El objetivo de esta sección es aprender a aplicar análisis básicos de superficie ráster a aplicaciones de mapeo de terreno.

El análisis de superficie a menudo se conoce como análisis de terreno (elevación) cuando la información relacionada con pendiente, aspecto, cuenca visual, hidrología, volumen, etc. se calcula en superficies ráster como DEM (modelos digitales de elevación; Sección 5.3.1 “Formatos de archivo vectoriales”). Además, las técnicas de análisis de superficie también se pueden aplicar a esfuerzos de mapeo más esotéricos como la probabilidad de tornados o la concentración de mortalidades infantiles en una región determinada. En esta sección discutimos algunos métodos para crear superficies y técnicas comunes de análisis de superficies relacionadas con datasets de terreno.

Varios análisis de vecindad basados en rásteres comunes proporcionan información valiosa sobre las propiedades de la superficie del terreno. Los mapas de taludes (parte (a) de la Figura 8.12 “(a) Pendiente, (b) Aspecto, y (c y d) Mapas de Sombras”) son excelentes para analizar y visualizar características de forma de relieve y se utilizan frecuentemente en conjunto con mapas de aspecto (definidos más adelante) para evaluar unidades de cuencas hidrográficas, inventariar recursos forestales, determinar idoneidad del hábitat, estimación del potencial de erosión de taludes, etc. Por lo general, se crean ajustando una superficie plana a una ventana móvil de 3 por 3 alrededor de cada celda objetivo. Al dividir la distancia horizontal a través de la ventana móvil (que se determina a través de la resolución espacial de la imagen ráster) por la distancia vertical dentro de la ventana (medir como la diferencia entre el valor de celda más grande y el valor de celda central), la pendiente se obtiene con relativa facilidad. El ráster de salida de los valores de pendiente se puede calcular como pendiente porcentual o grado de pendiente.

Cualquier celda que presente una pendiente debe, por definición, estar orientada en una dirección conocida. Esta orientación se conoce como aspecto. Los mapas de aspecto (parte (b) de la Figura 8.12 “(a) Pendiente, (b) Aspect, y (c y d) Hillshade Maps”) utilizan información de pendiente para producir imágenes ráster de salida mediante las cuales el valor de cada celda denota la dirección a la que se enfrenta. Esto generalmente se codifica como una de las ocho direcciones ordinales (norte, sur, este, oeste, noroeste, noreste, suroeste, sureste) o en grados desde 1° (casi hacia el norte) hasta 360° (de regreso al norte). Las superficies planas no tienen aspecto y se les da un valor de −1. Para calcular el aspecto, se utiliza una ventana móvil de 3 por 3 para encontrar las elevaciones más altas y más bajas alrededor de la celda objetivo. Si el valor de celda más alto se encuentra en la parte superior izquierda de la ventana (“arriba” se debe al norte) y el valor más bajo está en la parte inferior derecha, se puede suponer que el aspecto es sureste. La combinación de información de pendiente y aspecto es de gran valor para investigadores como botánicos y científicos del suelo porque la disponibilidad de luz solar varía ampliamente entre las laderas orientadas al norte y al sur. En efecto, los diversos regímenes de luz y humedad resultantes de los cambios de aspecto fomentan diferencias vegetativas y edáficas.

Un mapa de sombreado (parte (c) de la Figura 8.12 “(a) Slope, (b) Aspect, y (c y d) Hillshade Maps”) representa la iluminación de una superficie a partir de alguna fuente de luz hipotética definida por el usuario (presumiblemente, el sol). En efecto, la ladera de un cerro está relativamente iluminada cuando se enfrenta al sol y oscura cuando se mira hacia el otro lado. Usando la pendiente de la superficie, el aspecto, el ángulo de la luz entrante y la altitud solar como entradas, el proceso de sombreado codifica cada celda en el ráster de salida con un valor de 8 bits (0—255) que aumenta de negro a blanco. Como puede ver en la parte (c) de la Figura 8.12 “(a) Slope, (b) Aspect, y (c y d) Hillshade Maps”, las representaciones de sombreado son una manera efectiva de visualizar la naturaleza tridimensional de las elevaciones del terreno en un monitor bidimensional o mapa en papel. Los mapas de sombreado también se pueden usar de manera efectiva como mapa de línea base cuando se superponen con una capa semitransparente, como un modelo digital de elevación en falso color (DEM; parte (d) de la Figura 8.12 “(a) Slope, (b) Aspect, y (c y d) Hillshade Maps”).

Figura 8.12 (a) Mapas de Taludes, (b) Aspectos y (c y d) Sombras

Fuente: Datos disponibles del Servicio Geológico de los Estados Unidos, Centro de Observación y Ciencia de los Recursos Terrestres (EROS), Sioux Falls, SD.

El análisis de cuenca visual es una valiosa técnica de visualización que utiliza el valor de elevación de celdas en una DEM o TIN (Red Irregular Triangulada) para determinar aquellas áreas que se pueden ver desde una o más ubicaciones específicas (parte (a) de la Figura 8.13 “(a) Cuenca visual y (b) Mapas de Cuencas”). La ubicación de visualización puede ser una capa de punto o línea y se puede colocar en cualquier elevación deseada. La salida del análisis de cuenca visual es un ráster binario que clasifica las celdas como 1 (visible) o 0 (no visible). En el caso de dos ubicaciones de visualización, los valores ráster de salida serían 2 (visibles desde ambos puntos), 1 (visible desde un punto) o 0 (no visible desde ninguno de los dos puntos).

Los parámetros adicionales que influyen en el mapa de cuenca visual resultante son el acimut de visualización (horizontal y/o vertical) y el radio de visión. El azimut de visión horizontal es el ángulo horizontal del área de visión y se establece en un valor predeterminado de 360°. El usuario puede querer cambiar este valor a 90° si, por ejemplo, la cuenca visual deseada incluía solo el área que se podía ver desde la ventana de una oficina. Del mismo modo, el ángulo de visión vertical se puede ajustar de 0° a 180°. Finalmente, el radio de visión determina la distancia desde la ubicación de visualización que se va a incluir en la salida. Este parámetro normalmente se establece en infinito (funcionalmente, esto incluye todas las áreas dentro del DEM o TIN bajo examen). Se puede disminuir si, por ejemplo, solo quisieras incluir el área dentro del alcance de emisión de 100 km de una estación de radio.

De igual manera, los análisis de cuencas hidrográficas son una serie de técnicas de análisis de superficie que definen las divisiones topográficas que drenan las aguas superficiales para redes de arroyos (parte (b) de la Figura 8.13 “(a) Cuenca visual y (b) Mapas de cuencas hidrográficas”). En los sistemas de información geográfica (SIG), un análisis de cuencas hidrográficas se basa en la entrada de un DEM “lleno”. Un DEM lleno es aquel que no contiene depresiones internas (como se vería en un bache, humedal de fregadero o cantera). A partir de estas entradas, se crea un ráster de dirección de flujo para modelar la dirección del movimiento del agua a través de la superficie. A partir de la información de dirección de flujo, un ráster de acumulación de flujo calcula el número de celdas que aportan flujo a cada celda. En términos generales, las celdas con un alto valor de acumulación de flujo representan canales de corriente, mientras que las celdas con baja acumulación de flujo representan tierras altas. Con esto en mente, se crea una red de segmentos de flujo rasterizados. Estas redes de flujo se basan en algún umbral mínimo definido por el usuario de acumulación de flujo. Por ejemplo, se puede decidir que una celda necesita al menos mil celdas contribuyentes para ser consideradas un segmento de flujo. Alterar este valor umbral cambiará la densidad de la red de transmisión. Después de la creación de la red de flujo, se calcula un ráster de enlace de flujo mediante el cual cada segmento de flujo (línea) se conecta topológicamente a las intersecciones de flujo (nodos). Finalmente, los datasets ráster de dirección de flujo y enlace de flujo se combinan para determinar el ráster de cuenca de salida como se ve en la parte (b) de la Figura 8.13 “(a) Cuenca visual y (b) Mapas de cuencas hidrográficas” (Chang 2008) .Chang, K. 2008. Introducción a los Sistemas de Información Geográfica. Nueva York: McGraw-Hill. Dichos análisis son invaluables para el manejo de cuencas hidrográficas y modelado hidrológico.

Figura 8.13 (a) Cuenca visual y (b) Mapas de cuencas hidrográficas

Fuente: Datos disponibles del Servicio Geológico de los Estados Unidos, Centro de Observación y Ciencia de los Recursos Terrestres (EROS), Sioux Falls, SD.

LLAVE PARA LLEVAR

• Las funciones de vecindad más cercanas se utilizan con frecuencia en superficies ráster para crear mapas de pendiente, aspecto, sombreado, cuenca visual y cuencas hidrográficas.

EJERCICIOS

1. ¿Cómo se utilizan los mapas de pendiente y aspecto en la creación de un mapa de sombreado?
2. Si ibas a construir una nueva casa, ¿cómo podrías usar un mapa de cuenca visual para ayudarte en tu esfuerzo?