Cómo funciona De topo a ráster

La herramienta De topo a ráster es un método de interpolación diseñado específicamente para crear modelos digitales de elevación (DEM) hidrológicamente correctos. Está basado en el programa ANUDEM desarrollado por Michael Hutchinson (1988, 1989, 1996, 2000, 2011). Vea Hutchinson and Dowling (1991), ANU Fenner School of Environment and Society y Geoscience Australia (2008) para obtener aplicaciones de ANUDEM para producción de DEM en todo el continente. Las aplicaciones de DEM para modelado ambiental se tratan en Hutchinson and Gallant (2000) y Hutchinson (2008). Otros desarrollos de ANUDEM se tratan en Hutchinson et al. (2009, 2011). La versión actual de ANUDEM utilizada en ArcGIS es 5.3.

De topo a ráster interpola los valores de elevación para un ráster mientras se imponen restricciones que aseguran:

• Una estructura de drenaje conectado
• La correcta representación de crestas y arroyos a partir de los datos de curvas de nivel de entrada

Como tal, es el único interpolador de ArcGIS diseñado específicamente para trabajar de forma inteligente con entradas de curvas de nivel.

La herramienta De topo a ráster por archivo es útil para ejecutar la herramienta De topo a ráster varias veces, ya que es a menudo más fácil cambiar una entrada única en el archivo de parámetros y volver a ejecutar la herramienta que volver a completar el cuadro de diálogo de la herramienta todas las veces.

El proceso de interpolación

El procedimiento de interpolación se diseñó para aprovechar los tipos de datos de entrada comúnmente disponibles y las características conocidas de las superficies de elevación. Este método utiliza una técnica de interpolación de diferencia finita iterativa. Se optimiza para tener la eficacia computacional de los métodos de interpolación local, como la interpolación de distancia inversa ponderada (IDW), sin perder la continuidad de la superficie de los métodos de interpolación global, como Kriging y Spline. Es, esencialmente, una técnica de spline de lámina delgada discretizada (Wahba, 1990) a la cual se le modificó la penalización por rugosidad para permitir que el DEM ajustado siga los cambios abruptos en el terreno, como arroyos, crestas y acantilados.

El agua es la principal fuerza erosiva que determina la forma general de la mayoría de los paisajes. Es por esto que la mayoría de los paisajes tienen varias cumbres (máximos locales) y pocos sumideros (mínimos locales), lo que resulta en un patrón de drenaje conectado. De topo a ráster utiliza este conocimiento de las superficies e impone restricciones al proceso de interpolación que resulta en una estructura de drenaje conectado y la correcta representación de crestas y arroyos. Esta condición de drenaje impuesto produce superficies con mayor precisión y menos datos de entrada. La cantidad de datos de entrada puede ser de hasta un orden de magnitud menor que lo que se requiere normalmente para describir de manera adecuada una superficie con curvas de nivel digitalizadas, lo que minimiza aún más el coste de obtener DEM confiables. La condición de drenaje global también elimina prácticamente cualquier necesidad de edición o postproceso para quitar los sumideros espurios de la superficie generada.

El programa actúa de manera conservadora en la eliminación de sumideros y no impone condiciones de drenaje en las ubicaciones que podrían contradecir los datos de elevación de entrada. Estas ubicaciones suelen aparecer en el archivo de diagnóstico como sumideros. Utilice esta información para corregir los errores en los datos, en particular cuando procesa datasets de gran tamaño.

El proceso de aplicación de drenaje

El propósito del proceso de aplicación de drenaje es quitar todos los puntos de sumideros en el DEM de salida que no se identificaron como sumideros en el dataset de entidades de sumidero de entrada. El programa presupone que todos los sumideros no identificados son errores, ya que, por lo general, es poco común encontrarlos en paisajes naturales (Goodchild y Mark, 1987).

El algoritmo de aplicación de drenaje intenta eliminar los sumideros espurios modificando el DEM, infiriendo las líneas de drenaje a través del punto de collado más bajo en el área de drenaje que circunda cada sumidero espurio. No intenta eliminar los sumideros reales suministrados por la función Sumidero. Como la eliminación de sumideros está sujeta a la tolerancia de elevación, el programa es conservador al intentar eliminar los sumideros espurios. Es decir, no elimina los sumideros espurios que puedan contradecir los datos de elevación de entrada por más del valor de Tolerancia 1.

La aplicación de drenaje también se puede complementar con la incorporación de los datos de línea de corriente. Esto es útil cuando se requiere una ubicación más precisa de los arroyos. Distributarios de arroyos se modelan permitiendo a cada celda tener hasta dos direcciones de aguas abajo.

Es posible desactivar la aplicación de drenaje, en cuyo caso, se ignora el proceso de eliminación de sumideros. Esto puede ser útil si tiene datos de curvas de nivel de algo diferente a la elevación (por ejemplo, la temperatura) para los que desea crear una superficie.

Uso de los datos de curvas de nivel

Las curvas de nivel eran originalmente el método más común para el almacenamiento y la presentación de la información de elevación. Lamentablemente, este método también es el más difícil de utilizar de manera adecuada con las técnicas de interpolación general. La desventaja radica en el submuestreo de la información entre las curvas de nivel, en especial en las áreas de relieve bajo.

Al comienzo del proceso de interpolación, De topo a ráster emplea información inherente a las curvas de nivel para construir un modelo de drenaje generalizado inicial. Esto se realiza mediante la identificación de puntos de curvatura local máxima en cada curva de nivel. Una red de arroyos y crestas curvilineales que interseca esos puntos se deriva utilizando la cuadrícula de elevación inicial (Hutchinson, 1988). Las ubicaciones de esas líneas se actualizan iterativamente a medida que las elevaciones de DEM se actualizan iterativamente. Esta información se utiliza para garantizar propiedades hidrogeomorfológicas adecuadas del DEM de salida y también se pueden utilizar para verificar la precisión del DEM de salida.

Los puntos de datos de curvas de nivel también se utilizan en la interpolación de valores de elevación en cada celda. Todos los datos de curvas de nivel se leen y generalizan. Un máximo de 100 puntos de datos se leen desde las curvas de nivel dentro de cada celda, con el valor de la elevación promedio que se utiliza como el único punto de datos de elevación para cada celda que interseca los datos de línea de curvas de nivel. En cada resolución DEM, se utiliza solo un punto crítico para cada celda. Por esta razón, es redundante tener una densidad de curvas de nivel con varias curvas de nivel que cruzan las celdas de salida.

Una vez que se determina la morfología general de la superficie, los datos de curvas de nivel también se utilizan en la interpolación de valores de elevación en cada celda.

Cuando estos datos se usan para interpolar información de elevación, se leen y generalizan todos los datos de curvas de nivel. Se lee un máximo de 50 puntos de datos de estas curvas de nivel dentro de cada celda. Después de la resolución final, se utiliza solo un punto crítico para cada celda. Por esta razón, es redundante tener una densidad de curvas de nivel con varias curvas de nivel que cruzan las celdas de salida.

Uso de datos de lago

Los polígonos de lago en versiones anteriores de Topo a ráster eran simples máscaras que establecían la elevación de cada superficie de lago a la elevación mínima de todos los valores del DEM vecinos del lago. Se actualizó el algoritmo de los límites del lago para habilitar la determinación automática de las alturas del lago que son totalmente compatibles con líneas de arroyos de conexión y los valores de elevación vecinos.

El método revisado de los límites del lago también trata cada límite del lago como una curva de nivel con elevación desconocida y calcula iterativamente la elevación de esta curva de nivel desde los valores de celda en el límite del lago. Al mismo tiempo, la elevación de cada límite del lago se establece para ajustarse a las elevaciones de cualquier lago de aguas arriba o aguas abajo. La elevación de cada límite del lago también se establece para que sea coherente con los valores de DEM vecinos. Los valores de celda inmediatamente fuera del lago se establecen para estar sobre la elevación del límite del lago y los valores de celda en el interior del lago se establecen para estar por debajo de la elevación del límite del lago.

Los límites del lago pueden incluir islas dentro de lagos y lagos dentro de islas. Todos los valores de DEM que se encuentran dentro de los lagos, según lo determinan los polígonos del límite del lago, se establecen a la altura estimada del DEM en el límite del lago.

Uso de datos de acantilados

Las líneas de acantilado permiten un corte completo continuo entre los valores de celda vecinos en cada lado de las líneas de datos de acantilados, según están codificados en el ráster de salida. Las líneas de acantilados se deben proporcionar como líneas dirigidas, con el lado bajo de cada línea de acantilado a la izquierda y el lado alto de la línea de acantilado a la derecha.. Esto permite la eliminación de puntos de datos de elevación que se encuentran en el lado equivocado de los acantilados, según están codificados en el ráster, así como una mejor ubicación de los acantilados en relación con los arroyos.

También se ha descubierto que los pequeños cambios en la posición de los arroyos y los acantilados a medida que se incorporan en el ráster pueden dar lugar a falsas interacciones entre estos datos. Por lo tanto, se ha desarrollado un método automatizado para realizar pequeños ajustes en la ubicación de las líneas de arroyos y acantilados en el ráster para minimizar estas falsas interacciones.

Uso de datos de líneas de costa

Las celdas en el DEM de salida final que se encuentran fuera de los polígonos especificados por esta clase de entidad poligonal se establece en un valor especial determinado internamente y que es menor que el límite de altura mínima especificado por el usuario. El resultado de esto es que un polígono costero completo se puede utilizar como entrada y automáticamente se recorta a la extensión del procesamiento.

Interpolación de varias resoluciones

El programa utiliza un método de interpolación de varias resoluciones, que comienza con un ráster grueso y sigue con la resolución más fina especificada por el usuario. En cada resolución, se aplican las condiciones de drenaje, se lleva a cabo la interpolación y se registra la cantidad de sumideros restantes en el archivo de diagnóstico de salida.

Procesar datos de arroyos

La herramienta De topo a ráster requiere que los datos de la red de arroyos tengan todos los arcos apuntando hacia abajo y que no haya polígonos (lagos) en la red.

Los datos de arroyos deben estar compuestos por arcos individuales en un patrón dendrítico, con los bancos de arroyos paralelos, polígonos de lago, etc. que se limpien a través de la edición interactiva. Al editar polígonos de lago fuera de la red, se debe ubicar un arco individual desde el principio al final del área contenida. El arco debe seguir la ruta de un lecho fluvial histórico si se conoce o existe uno. Si se conoce la elevación del lago, el polígono del lago y su elevación se pueden utilizar como entrada de CURVA DE NIVEL.

Para visualizar la dirección de las secciones de línea, cambie la Simbología a la opción Flecha en el extremo. Con esta opción se dibujarán las secciones de línea con un símbolo de flecha que muestra las direcciones de las líneas.

Más información sobre invertir líneas

Crear rásteres adyacentes y realizar mosaicos con ellos

A veces es necesario crear DEM a partir de teselas adyacentes de datos de entrada. Generalmente, esto ocurre cuando las entidades de entrada se derivan de una serie de hojas de mapa o cuando, debido a limitaciones de memoria, los datos de entrada deben procesarse en varias partes.

El proceso de interpolación utiliza datos de entrada de las áreas circundantes para definir la morfología y el drenaje de la superficie, e interpolar los valores de salida. Sin embargo, los valores de celda de los bordes de cualquier DEM de salida no son tan fiables como los del área central ya que están interpolados con la mitad de la información.

Para realizar las predicciones más precisas en los bordes del área de interés, la extensión de los datasets de entrada debe ser mayor que el área de interés. El parámetro Margen en celdas proporciona un método para acortar los bordes de los DEM de salida según una distancia especificada por el usuario. Los bordes de las áreas superpuestas deben tener al menos 20 celdas de ancho.

Debe haber un poco de superposición de los datos de entrada en las áreas adyacentes cuando se combinan varios DEM de salida en un ráster único. Sin esta superposición, es posible que los bordes de los DEM fusionados no sean suaves. Las extensiones de los datasets de entrada de cada una de las interpolaciones deben tener un área aún más grande que si solo se fuera a hacer una interpolación para una interpolación simple, de forma de asegurar que los bordes se puedan prever de manera tan precisa como sea posible.

Después de crear los DEM, se pueden combinar mejor utilizando la herramienta de geoprocesamiento Mosaico con las opciones Combinar o Valor medio. Esta función proporciona opciones para administrar áreas superpuestas a fin de suavizar la transición entre los datasets.

Evaluar la salida

Cada superficie creada se debe evaluar para asegurar que los datos y parámetros suministrados al programa resulten en una representación realista de la superficie. Hay varias formas de evaluar la calidad de una superficie de salida, según el tipo de entrada disponible para crear la superficie.

La evaluación más común es crear curvas de nivel a partir de la superficie nueva con la herramienta Curva de nivel y compararlas con los datos de curvas de nivel de entrada. Es mejor crear estas curvas de nivel nuevas a la mitad del intervalo de la curva de nivel original para examinar los resultados entre éstas. Dibujar las curvas de nivel originales y las nuevas una sobre la otra puede ayudar a identificar los errores de interpolación.

Otro método de comparación visual es comparar la cubierta opcional de drenaje de salida con arroyos y crestas conocidos. La clase de entidad de drenaje contiene los arroyos y las crestas que se generaron mediante el programa durante el proceso de aplicación de drenaje. Estos arroyos y crestas deben coincidir con los arroyos y las crestas conocidos del área. Si se utilizó una clase de entidad de arroyo como entrada, los arroyos de salida deben superponerse casi perfectamente con los arroyos de entrada, aunque pueden ser levemente más generalizados.

Un método común para evaluar la calidad de una superficie generada es retener un porcentaje de los datos de entrada del proceso de interpolación. Después de generar la superficie, la altura de estos puntos conocidos se puede sustraer de la superficie generada para examinar con qué precisión la superficie nueva representa la superficie real. Estas diferencias se pueden usar para calcular una medida de error para la superficie, como el error cuadrático medio (RMS).

De topo a ráster tiene un conjunto completo de procedimientos para evaluar la calidad del DEM ajustado, optimizar la resolución del DEM y detectar errores en los datos de entrada.

• El archivo de diagnóstico de salida opcional se puede utilizar para evaluar con qué efectividad los ajustes de tolerancia eliminan los sumideros de los datos de entrada. Disminuir los valores de las tolerancias puede hacer que el programa se comporte de forma más conservadora al eliminar los sumideros.

• La clase de entidad de puntos de sumideros restantes de salida contiene las ubicaciones de todos los sumideros espurios restantes. Esto se debe inspeccionar junto con las entidades de polilínea de arroyo de salida para verificar errores en todos los datos topográficos de entrada.

• La clase de entidad de puntos residuales de salida contiene las ubicaciones de todos los valores residuales grandes de los datos de elevación según las escalas que proporciona el error de discretización local. Los valores residuales de gran escala indican los conflictos entre los datos de elevación de entrada y los datos de línea de arroyos. Esos valores también pueden estar asociados con aplicaciones automáticas de drenaje deficientes. Estos conflictos se pueden resolver proporcionando datos adicionales de elevación del punto o de la línea de corriente lineal después de la primera verificación y corrección de errores en los datos de entrada existentes. Los valores residuales sin escala generalmente indican errores de elevación de entrada.

• La clase de entidad de puntos de error de curvas de nivel de salida contiene las ubicaciones de los puntos en las curvas de nivel de entrada con residuales considerablemente influenciados del DEM ajustado. Un valor de error 1 con frecuencia indica la ubicación de puntos donde las curvas de nivel con distintas elevaciones están conectadas, un indicador seguro de un error de etiqueta de curva de nivel.

• La clase de entidad de puntos de error de acantilado y arroyo de salida es un indicador importante de la calidad de los datos de la línea de acantilados y línea de arroyos, particularmente de los errores de dirección de arroyos y acantilados, y siempre se debe inspeccionar.

  La clase de entidad tiene los siguientes códigos:

  1. Circuito real en la red de línea de transmisión de datos.
  2. El circuito en la red de corriente según se codifica en el ráster de salida.
  3. El circuito en la red de corrientes a través de la conexión de los lagos.
  4. Punto de bifurcaciones de ríos.
  5. Transmisión en un acantilado (cataratas).
  6. Puntos que indican varios flujos de salida de corrientes desde los lagos.
  7. Código no utilizado.
  8. Puntos junto a acantilados con alturas inconsistentes con dirección de acantilado.
  9. Código no utilizado.
  10. Bifurcaciones de ríos circulares eliminadas.
  11. Bifurcaciones de ríos sin corriente que fluye hacia adentro.
  12. Bifurcaciones de ríos rasterizadas en celda de salida diferentes al lugar donde ocurren las bifurcaciones de ríos de la línea de transmisión de datos.
  13. Error al procesar las condiciones laterales: un indicador de datos de línea de transmisión muy complejos.

• La clase de entidad de polilínea de arroyo de salida contiene todas las restricciones de drenaje impuestas por De topo a ráster según lo determinan los datos de línea de arroyo de entrada, las líneas de arroyo y las líneas de cordillera que se deducen de los datos de curva de nivel y las líneas de arroyo que se obtienen a través de la aplicación automática de drenaje. Estos se pueden inspeccionar para comprobar los errores de ubicación en las líneas de arroyos de entrada y verificar la concordancia adecuada con las restricciones asociadas con las líneas de arroyos de entrada y las aplicaciones automatizadas de drenaje. A cada tipo de línea de arroyos derivado se le asigna un código diferente. Las líneas de arroyos que cruzan líneas de acantilados se indican con líneas de longitud de arroyos cortas; una celda con un código individual. La clase de entidad también incluye líneas que indican grandes márgenes de los datos de elevación de origen a través de la conexión de las líneas de arroyos y lagos que superan la segunda tolerancia de elevación. Estos pueden ser un indicador útil de los errores en los datos de elevación de origen.

  Las entidades de polilínea se codifican de la siguiente forma:

  1. Línea de corriente de entrada no está sobre un acantilado.
  2. Línea de corriente de entrada sobre un acantilado (cascada).
  3. Aplicación de drenaje despejando un sumidero espurio.
  4. Línea de transmisión determinada desde la esquina de curvas de nivel.
  5. Línea de cresta determinada desde la esquina de curvas de nivel.
  6. Código no utilizado.
  7. Condiciones laterales de línea de transmisión de datos.
  8. Código no utilizado.
  9. Línea que indica grandes márgenes en datos de elevación.

Influencia de las curvas de nivel

Existe una influencia menor en el algoritmo de interpolación que hace que las curvas de nivel de entrada tengan un efecto más fuerte en la superficie de salida en la curva de nivel. Esta influencia puede resultar en un aplanamiento leve de la superficie de salida cuando cruza la curva de nivel. Esto puede generar resultados confusos al calcular la curvatura del perfil de la superficie de salida pero no es perceptible de otro modo.

Causas posibles de problemas con De topo a ráster

Si encuentra algún problema al ejecutar De topo a ráster, revise los siguientes puntos para obtener explicaciones y soluciones para los problemas más comunes.

• No hay recursos de sistemas suficientes disponibles. Los algoritmos utilizados en la herramienta De topo a ráster contienen tanta información como es posible en la memoria durante el procesamiento. Esto permite acceder simultáneamente a los datos de punto, de curvas de nivel, de sumidero, de arroyo y de lago. Para facilitar el procesamiento de datasets grandes, se recomienda cerrar las aplicaciones innecesarias antes de ejecutar la herramienta para liberar memoria RAM física. También es importante tener cantidades suficientes de espacio de intercambio del sistema en el disco.
• La curva de nivel o el punto de entrada puede ser demasiado denso para el tamaño de la celda de salida especificado. Si una celda de salida cubre varias curvas de nivel o puntos de entrada, el algoritmo podría no poder determinar el valor de esa celda. Para resolver esto, intente una de las siguientes opciones:
  • Disminuya el tamaño de la celda, luego, realice un remuestreo al tamaño más grande de celda después de De topo a ráster.
  • Rasterice las secciones más pequeñas de los datos de entrada utilizando la Extensión de salida y el Margen en celdas. Ensamble los rásteres de componentes resultantes con la herramienta Mosaico.
  • Recorte los datos de entrada en secciones superpuestas y ejecute De topo a ráster en cada sección por separado. Ensamble los rásteres de componentes resultantes con la herramienta Mosaico.
• La aplicación de un interpolador de superficie puede no ser consistente con el dataset de entrada. Por ejemplo, la herramienta fallará si hay una entrada de sumideros con más puntos que las celdas que habrá en el ráster de salida. Las fuentes de datos muestreados densamente, tales como los datos LIDAR, pueden tener problemas similares. Usar la opción NO_ENFORCE puede ayudar en este caso, pero es importante comprender adecuadamente cómo funciona el interpolador para evitar una aplicación incorrecta.

Referencias

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