Construcción de Modelos de Elevación Digital con ArcGIS. 

Se define a los modelos digitales de elevación (MDE) como:

“Una estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de la altitud de la superficie del terreno” (Ángel Manuel Felicisimo, 1994).

Se entiende así que un MDE es una representación digital que permite modelar la topografía del terreno en tres dimensiones. Estos modelos permiten realizar análisis de una manera más intuitiva de la realidad topográfica, dado que la representación tridimensional permite una aproximación, que resulta más intuitiva que al realizar modelado de terrenos en dos dimensiones.

Existen diferentes maneras de realizar modelos digitales de elevación, en este documento se construirá un modelo de elevación digital a partir de un mapa análogo digitalizado de curvas de nivel.

Se pueden crear modelos digitales de elevación a partir de dos modelos: el modelo vectorial y el modelo ráster. A continuación se explicarán estos dos modelos.

Modelos Vectoriales

Los modelos digitales de elevación de tipo vectoriales, están basados en archivos con coordenadas X, Y y Z.  Estos se construyen a partir de puntos georeferenciados que se han obtenido de una medición en campo, o que han sido proporcionados; a través de estos puntos podemos definir isolíneas y a partir de ellas generar un modelo, en este ejemplo utilizaremos curvas  de nivel, obtenidas del IGN (Instituto Geográfico Nacional).

Para la creación del modelo se utilizan algunos de los componentes de la Familia de ArcGIS for Desktop, en este caso ArcMap, programa que permite procesar diferentes tipos de archivos, tanto gráficos como de datos, pudiendo vincular estos y realizar diferentes procesos; además se utilizará ArcScene, componente de la Familia ArcGIS for Desktop que permite una visualización tridimensional de manera más completa, permitiendo editar el archivo en tres dimensiones.

Para que ArcMap pueda reconocer las curvas de nivel y utilizarlas como implemento en  la construcción de un modelo TIN (malla de triángulos) estas deben cumplir con ciertos requisitos:

  • Las curvas de nivel siempre deben cerrarse. Ya sea dentro o fuera de nuestro plano de visión.
  • Las curvas de nivel nunca pueden cruzarse entre sí.
  • Una curva de nivel nunca puede dividirse en más curvas de nivel.
  • Dos curvas de nivel de diferente altitud pueden unirse, pero esto nos indicará una pendiente de 90º.

Mientras menor sea el intervalo entre las curvas de nivel del modelo, más preciso será, ya que le evita al programa realizar grandes interpolaciones.

Modelos Ráster

Los modelos ráster, al igual que los modelos vectoriales, se basan en el principio de tres coordenadas:  X, Y y Z. La principal diferencia es que estos se encuentran integrados en una malla continua, cuyo elemento base es el pixel, el cual definirá la resolución espacial del modelo. Los pixeles se encuentran ordenados en ejes X e Y generando filas y columnas, creando una malla homogénea que cubre todo el plano. Esta distribución espacial se complementa con valores cuantitativos en cada pixel, en este caso dicho valor nos dará el valor de la coordenada Z.

Modelos Vectoriales versus Modelos Ráster

Los modelos vectoriales presentan como ventaja frente a los ráster su mayor precisión. Esto está dado ya que, puntos, líneas y polígonos se encuentran definidos por coordenadas espaciales específicas para cada entidad. Mientras que los modelos ráster se encuentran limitados por la resolución de la imagen o la dimensión del pixel de la misma. Como contrapartida, los modelos vectoriales tienden a ocupar mucho más espacio en la memoria de nuestro equipo, esto se debe a la gran cantidad de entidades que necesitamos para que nuestro modelo resultante sea de precisión; mientras que los modelos ráster presentan una estructura espacial más sencilla y simple, dando como resultado archivos que ocupan  menor espacio en nuestro equipo.

Crear un modelo TIN a partir de curvas de nivel

Para crear archivos TIN  (triangular irregular network; red irregular de triángulos) es necesaria una capa, ya sea de puntos o de polilíneas, que en sus atributos cuente con datos altimétricos, coordenadas en el plano Z.

Una vez que obtengamos un archivo de este tipo, dentro de ArcMap nos dirigimos al ArcToolbox, este es el componente de ArcMap donde se encuentran todas las herramientas que permiten realizar tanto análisis como procesos. En las cajas de herramientas buscamos las denominadas “Herramientas de 3D analyst”, en el menú desplegable vamos a la pestaña TIN y allí a crear TIN.

Se abrirá una pestaña en la que debemos cargar los datos que buscamos procesar, en el primer recuadro “A”, se debe completar con la dirección y el nombre del archivo TIN que queremos crear. En el recuadro “B”, se debe  cargar el sistema de coordenadas (este dato es opcional);  por último en el recuadro “C” se deben cargar las capas con las que queremos crear el archivo TIN. Luego clikear en aceptar y se creará el archivo TIN. Este archivo, formado por una red irregular de triángulos, como fue señalado anteriormente, se forma uniendo puntos a través de la denominada triangulación de Delaunay. Los requisitos para que se cumpla esta condición de “triangulación de Delaunay” son los siguientes: dentro de la circunferencia en la que se circunscriben los tres puntos del triángulo, no puede existir un punto perteneciente a otro triángulo, de esta forma la malla que fue creada cumplirá siempre con las siguientes propiedades: La triangulación es unívoca si ningún círculo rodeado por los vértices de un triángulo contiene otros puntos del espacio.

El ángulo mínimo dentro de todos los triángulos está maximizado y la longitud de los lados de los triángulos es mínima.

Las aristas que pertenecen al perímetro de la triangulación conforman el cierre convexo de la nube de puntos. Estas aristas formarán parte de un sólo triángulo, mientras que las aristas interiores a la triangulación van a formar parte de dos triángulos. Los triángulos que conforman el cierre convexo suelen ser alargados.

Para visualizar esta malla en 3D se debe abrir ArcScene y cargar allí el archivo de la misma manera que fue cargado en ArcMap. Para exagerar la altura del modelo habrá que modificar el factor denominado Z. Para ello hacer clic con el botón derecho del ratón (mouse), dirigirse a propiedades. Una vez desplegado el menú de propiedades ir a la ventana Altura de Base. Ya realizado este proceso podemos explorar nuestro modelo navegando con las herramientas propias de ArcScene, las cuales nos permiten diferentes formas de navegación y obtener tanto archivos de imágenes como de videos.

Creación de un modelo ráster a partir de un modelo TIN

Una vez realizado nuestro modelo TIN es posible crear un modelo de tipo ráster a partir de él. Para ello habrá que dirigirse, nuevamente a ArcToolbox, desplegar el menú de la caja “Herramientas de 3D Analyst”, dirigirse a la caja de “conversión” y allí desplegar el menú “desde TIN” y allí “De TIN a ráster”. Se desplegará el siguiente menú:

En el primer recuadro “A” debemos ingresar el archivo TIN desde el cual el programa creará nuestro archivo de tipo ráster. En el recuadro “B” ingresar tanto la dirección donde guardar el archivo como el nombre del mismo. Los siguientes recuadros son todos de tipo opcional, con lo que se recomienda no cambiarlos a no ser que se necesite algún tipo específico de archivo ráster. En el recuadro “C” indicar el tipo de datos del ráster de salida. En el recuadro “D”  el método de interpolación utilizado para crear el ráster. En el recuadro “E” el método de muestreo y distancia utilizados para definir el tamaño de celda del ráster de salida. Por último en el recuadro “F” el factor por el que se multiplicarán los valores Z. Esto se utiliza generalmente para convertir las unidades lineales Z para que coincidan con las unidades lineales XY. El valor predeterminado es 1, que no altera los valores de elevación.

Esto nos da como resultado un archivo ráster que será posible visualizar en 2D en ArcMap, para poder visualizar el mismo en 3D, dirigirse a ArcScene. Allí deberá cargar la capa ráster de la misma manera que se realizó en ArcMap, esta se seguirá viendo en dos dimensiones, para modelar el archivo y poder observar la tridimensionalidad del mismo, debemos dirigirnos a las propiedades de la capa.  Una vez desplegado el menú nos dirigimos a “Alturas de Base”;  marcar la opción: “Flotando en una superficie personalizada” y allí marcar la dirección en la que se ha guardado el archivo ráster. En caso de ser necesario es posible alterar el factor de modificación Z como lo hicimos con nuestro archivo TIN.

Por último, en caso de contar con una imagen satelital del área del archivo ráster, es posible cargar en ésta los atributos de altura del  archivo ráster y de esta forma modelarla en 3 dimensiones. Para ello se deberá cargar el archivo de imagen. En este caso, dirigirse a propiedades de la capa, desplegar el menú “Altura de la Base” y cliquear “Flotando en una superficie personalizada” y allí, dirigir la capa hacia el archivo ráster, como en los casos anteriores de ser necesario existe la posibilidad de exagerar las alturas del modelo aumentando el factor de modificación Z. Esto da como resultado un modelo tridimensional en el que es posible navegar con las herramientas de ArcScene.


Por: Juan Manuel Echecolanea – Especialista en soluciones GIS de Ciampagna & Asociados