Pirámides de terreno
Las pirámides son niveles de detalle generados para que un dataset de terreno mejore su eficacia de cara a algunas aplicaciones. Se utilizan como una forma de generalización dependiente de la escala. Los niveles de pirámide sacan partido del hecho de que los requisitos de precisión disminuyan con la escala. En concepto y finalidad, son similares a las pirámides de ráster, aunque su implementación es diferente.
Las pirámides de terreno se generan mediante el proceso de reducción de puntos, también conocido como simplificación de puntos. De esta forma, se reduce el número de mediciones necesarias para representar una superficie para un área dada. Para cada nivel de pirámide sucesivo se utilizan menos mediciones, y los requisitos de precisión necesarios para mostrar la superficie disminuyen en consecuencia. Las mediciones de origen iniciales todavía se utilizan en pirámides más esquemáticas, aunque hay menos. En las pirámides no se emplea remuestreo, promediación ni datos derivativos.
La generación de una pirámide lleva su tiempo, por lo que tendrá que meditar cómo es mejor utilizarla para que le resulte ventajoso.
Usos potenciales de niveles de pirámide
- Mostrar una capa de terreno en ArcMap o ArcGlobe
- Rasterización de un terreno
- Extracción de subconjuntos TIN de un dataset de terreno
- Utilizar las herramientas de análisis de superficies de la barra de herramientas ArcGIS 10.1 3D Analyst
- Utilizar las herramientas de análisis de superficies de geoprocesamiento
Existen dos tipos de pirámide: tolerancia z y tamaño de ventana. El tipo de pirámide de tolerancia z utiliza la tolerancia vertical en la definición de la resolución de la superficie del terreno. Cada nivel de pirámide es una aproximación de precisión vertical de los datos a resolución completa. Con el tipo de pirámide de tamaño de ventana, la resolución se define mediante ventanas equivalentes en cada rango de escala de nivel de pirámide, controlando la densidad de la muestra horizontal.
Al definir un dataset de terreno, debe especificar cuántos niveles de pirámide se necesitan para el tipo de pirámide deseado. Para cada nivel de pirámide se proporciona una escala de referencia y una tolerancia vertical o tamaño de ventana. La escala de referencia es un umbral. Se utiliza una capa de pirámide para representar un terreno entre su escala de referencia y la del siguiente nivel más esquemático. El coste principal asociado a la creación de pirámides tiene más que ver con la tolerancia vertical menor o el tamaño de ventana utilizados que con el número de pirámides.
Por qué utilizar pirámides
Si su intención solamente es utilizar mediciones de terreno a resolución completa y a una escala de visualización relativamente constante y grande, es posible que no necesite generar una pirámide de varios niveles. Por ejemplo, si su uso de terrenos se limita a la producción de rásters para aplicaciones a gran escala de datos lidar o sonar y al almacenamiento y actualización de mediciones de origen para archivar, es posible que no haya ninguna razón para incurrir en el coste de procesamiento. Si, por otra parte, desea utilizar datos simplificados para mejorar el rendimiento por medio de un rango de escalas, las pirámides de varios niveles le resultarían útiles.
El Terreno Wizard tiene un botón Calcular las propiedades de la pirámide para estimar los valores predeterminados. Utilícela como punto de partida y, a continuación, perfeccione y corrija en función de su conocimiento de los datos.
Tipo de pirámide de tolerancia z
El tipo de pirámide de tolerancia z controla la precisión vertical de cada nivel de pirámide con respecto a los datos a resolución completa. La precisión vertical de un nivel de pirámide siempre es con respecto a la precisión de los datos de origen a resolución completa. Por ejemplo, si los datos de origen tienen una precisión vertical conocida de 0,5 pies y la tolerancia z de la primera pirámide es 1 pie, la precisión absoluta de la primera pirámide es 1,5 pies.
Tiene que determinar cuántos niveles de pirámide necesita, además de la tolerancia z de cada uno de ellos. Los factores principales que influyen en estas decisiones son el rango de escala de uso del dataset de terreno, el rango z y la variabilidad de altura del terreno. Un método que puede utilizar para definir los niveles de su pirámide sigue el modelo de mapa de curvas de nivel.
Definir niveles de pirámide de tolerancia z
Definir niveles de pirámide mediante el modelo de mapa de curvas de nivel
- Tenga en cuenta un conjunto estándar de escalas de mapa que utilizaría para generar mapas de curvas de nivel del terreno.
- Organice las escalas de mayor a menor. Tenga en cuenta el intervalo de curvas de nivel que sería adecuado para cada escala. Haga que su pirámide de dataset de terreno imite a esta colección.
- Defina un nivel de pirámide para cada escala de mapa, estableciendo el umbral de escala de cada nivel en la escala de mapa correspondiente. La tolerancia z debería establecerse en la mitad del intervalo de curvas de nivel que se usaría en esa escala.
Dada la definición de pirámide a continuación, se utilizarán los datos de resolución completa para escalas de visualización más grandes que 1:5.000. El nivel de pirámide basado en una tolerancia z de unidad 0,5 se utilizaría entre 1:5.000 y 1:12.000, el nivel de tolerancia z de unidad 1,0 entre 1:12.000 y 1:24.000, el nivel de tolerancia z de unidad 2,5 entre 1:24.000 y 1:100.000 y el nivel de tolerancia z de unidad 5,0 en escalas inferiores a 1:100.000.
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Escala de mapa |
Intervalo de curvas de nivel (metros) |
|---|---|
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1: 5,000 |
1 |
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1: 12,000 |
2 |
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1: 24,000 |
5 |
|
1: 100,000 |
10 |
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Umbral de escala |
Tolerancia z (metros) |
|---|---|
|
5,000 |
0.5 |
|
12,000 |
1 |
|
24,000 |
2.5 |
|
100,000 |
5 |
Examine las tolerancias z y determine si son adecuadas para sus datos. Si su área de estudio es relativamente plana, quizás sería adecuado recortar los valores de tolerancia z sugeridos por la mitad. El asistente Terreno tiene una función Calcular las propiedades de la pirámide para estimar los valores predeterminados. Utilícela como punto de partida. Perfeccione y corrija en función de su conocimiento de los datos.
Recomendaciones para los datos de tolerancia z
Si tiene datos muy densos que cubren un área grande (por ejemplo, lidar de varios condados), considere la posibilidad de derivar una representación de ráster para uso a pequeña escala. Los terrenos se pueden utilizar para generar rásters que se pueden piramidar. Podrían resultar más eficaces para aplicaciones a menor escala. Por tanto, es posible que no tuviera que definir pirámides de terreno en escalas de referencia pequeñas. Para lograr esto, utilice dibujo dependiente de la escala en ArcMap, ajustando la visibilidad de la capa de tal modo que el terreno solo se dibuje a grandes escalas y el ráster solo a pequeñas.
El tipo de pirámide de tolerancia z normalmente rinde mejor cuando se aplica a datos de lidar de terreno o batimétricos. Si los datos de puntos están representados fundamentalmente por edificios y vegetación (lidar de varios retornos), considere la posibilidad de utilizar el tipo de pirámide de tamaño de ventana con métodos de simplificación secundaria.
Tipo de pirámide de tamaño de ventana
El tamaño de ventana define la resolución de nivel de pirámide. El tipo de pirámide en función del tamaño de la ventana afina los puntos de cada nivel de pirámide repartiendo los datos en áreas iguales (ventanas) y seleccionando solamente uno o dos puntos de cada área como representantes.
La selección de puntos de cada ventana se basa en uno de los siguientes criterios:
- El punto con el valor z mínimo
- El punto con el valor z máximo
- Dos puntos para capturar el mínimo y el máximo z
- El punto más cercano al valor z medio
El tamaño de ventana define la resolución de nivel de pirámide. Ésta es la longitud del lado de cada área cuadrada que define la subdivisión. Los niveles de pirámide de resolución más esquemática se definen con tamaños de ventana grandes. Un tamaño de ventana grande da lugar a relativamente pocas áreas de las que seleccionar puntos. Dado que solo se toman uno o dos puntos de cada área, habrá mucha simplificación y generalización. Los niveles de pirámide de resolución más detallada se definen mediante tamaños de ventana más pequeños. Unas ventanas más pequeñas significan más áreas y, por tanto, más puntos, menos simplificación y más detalle.
Al igual que la pirámide basada en tolerancia z, la pirámide de tamaño de ventana es acumulativa. Los puntos utilizados para un nivel de pirámide son la suma de todos los puntos seleccionados para los niveles más esquemáticos más un conjunto adicional único para el nivel determinado. Las pirámides acumulativas ofrecen un almacenamiento eficaz, ya que no se necesita una copia independiente y completa de los datos para cada nivel de pirámide.
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Recomendaciones para el método de selección de puntos
El nivel de pirámide de mayor resolución debería utilizar un tamaño de ventana igual o mayor que el espaciado de punto promedio. Si sabe que hay muchos puntos cercanos a la media, la media z sería un buen valor para utilizar, ya que podría simplificar de forma eficaz algunos puntos. De lo contrario, utilice un valor que multiplique por dos el espaciado de punto promedio.
La excepción es si está utilizando el método de selección de punto mínimo o máximo z, en cuyo caso debería multiplicar por cuatro el espaciado promedio. El nivel de pirámide más esquemático debería tener un tamaño de ventana basado en la extensión x- o y- del terreno. Algún punto entre 1/500 y 1/1000 de la extensión x- e y- mayor es razonable. Las pirámides más eficaces se realizan con tamaños de ventana que son una potencia elevada al cuadrado uno del otro. Primero determine el tamaño de ventana más pequeño y continúe a partir de ahí.
Los criterios de selección se utilizan para determinar qué puntos se toman como representativos de las áreas correspondientes de los distintos niveles de pirámide. Cada criterio ofrece una desviación que resulta útil para un cierto tipo de datos o aplicación. Observe que la desviación no clasifica ni tiene impacto en el nivel de pirámide a resolución completa.
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Método |
Objetivos |
Aplicaciones sugeridas |
|---|---|---|
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Z mínima |
Desviación hacia depresiones, ríos, valles locales |
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Z máxima |
Desviación hacia altos, crestas, cimas locales |
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Máximo o mínimo z |
Captura extremos; no simplifica tanto como las demás opciones |
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Media z |
Evita los extremos |
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Simplificación secundaria
Al utilizar la pirámide de tamaño de ventana, hay una opción para incluir simplificación secundaria. Ésta permite reducir el número de puntos de un nivel de pirámide más que la simplificación lograda por medio del filtrado de ventana. Funciona a partir del tamaño de ventana de nivel de pirámide más esquemático al examinar los datos de cada ventana. Si el rango de valores z de los puntos de la ventana está dentro de un umbral definido por el usuario, el área se considera plana. Se seleccionan uno o dos puntos del área, como en el procesamiento de tamaño de ventana, pero todos los puntos restantes se asignan al nivel de pirámide a resolución completa en lugar de que los restantes niveles los vuelvan a filtrar. Puesto que el área es plana, no hay necesidad de seleccionar puntos adicionales con tamaños de ventana menores.
Recomendaciones para el método de simplificación secundaria
Una vez habilitada, la simplificación secundaria reduce el número de puntos utilizado sobre áreas planas. Un área se considera plana si las alturas de puntos de esa área están dentro de un umbral de simplificación secundaria especificado por el usuario. Su efecto es más evidente en niveles de pirámide de mayor resolución, dado que las áreas más pequeñas tienen más posibilidad de ser planas que las más grandes.
El umbral de simplificación secundaria debería ser al menos tan grande como la precisión vertical de los datos a fin de superar su umbral mínimo de ruido. A medida que especifique valores mayores, simplificará más puntos y notará alguna mejora de rendimiento, aunque su capacidad de resolver o distinguir entidades de superficie disminuirá.
- Disminución suave: funciona mejor para conservar discontinuidades lineales (por ejemplo, laterales de edificios y límites de bosques). Se recomienda para datos de lidar que incluyan puntos de tierra y no tierra. Simplificará el mínimo de puntos.
- Disminución moderada Thinning: proporciona un buen equilibrio entra rendimiento y precisión. No conserva tantos detalles como la simplificación leve, pero se le acerca y además elimina más puntos en general. La simplificación moderada es un buen método de simplificación para todos los tipos de datos.
- Disminución fuerte: quita más puntos pero conserva menos entidades bien delineadas. Su uso se debería limitar a aquellas superficies en las que la pendiente tiende a cambiar gradualmente. Por ejemplo, sería eficaz para datos de lidar de terreno desnudo y batimétricos.
Ejemplo de creación de nivel de pirámide de tamaño de ventana
El asistente Terreno tiene una función Calcular las propiedades de la pirámide para estimar los valores predeterminados. Utilícela como punto de partida y, a continuación, perfeccione y corrija en función de su conocimiento de los datos. La función Calcular las propiedades de la pirámide funciona del modo que se describe a continuación.
Base los niveles de pirámide en la siguiente información:
- El espaciado de punto promedio de los datos de puntos es 1 metro.
- No hay una gran variación en el espaciado de punto, así que la mayoría de los puntos están separados alrededor de 1 metro.
- La extensión de los datos es de 20 kilómetros de este a oeste y de 10 kilómetros de norte a sur.
- Comience con un tamaño de ventana de 2 (metros) y aumente exponencialmente: 2, 4, 8, 16, 32. Deténgase en 32, ya que se encuentra entre la extensión 1/500 y 1/1000 de 20 kilómetros.
- Para cada tamaño de ventana, utilice un umbral de escala que sea dos veces el tamaño del umbral de escala anterior. Debería finalizar con una definición de pirámide como la indicada a continuación.
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Tamaño de ventana |
Escala |
|---|---|
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2 |
|
|
4 |
3,000 6,000 |
|
12,000 |
8 |
|
16 |
24,000 |
|
32 |
48,000 |
Comparar tolerancia z de tamaño de ventana
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Tamaño de ventana |
Tolerancia z | |
|---|---|---|
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Ventajas |
Tiempo de generación más corto. |
La precisión vertical aproximada de los niveles de detalle simplificados se conoce de cara al análisis. |
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La eficacia de la simplificación es independiente de la variabilidad de la superficie. |
La simplificación se adapta a la variabilidad de la superficie; solo conserva las muestras cuando es necesario. |
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Resolución de muestra horizontal conocida. |
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Los niveles de pirámide tienen recuentos de muestra predecibles (máx.). |
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Desventajas |
Puede sobremostrar los terrenos planos o con poca pendiente. |
Tiempo de generación más largo. |
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Puede inframostrar la vegetación o los edificios. |
No simplifica lo suficiente los datos que contienen edificios y vegetación. |
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La precisión vertical de los datos simplificados es desconocida. |
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Recomendaciones sobre datos |
Todos los tipos de datos. |
Topografía de terreno desnudo, batimetría. |