Aplicación de datos del mes: Modelos digitales de elevación

Modelo digital de elevación TandemX. Image: DLR

¿Para qué se usan los modelos digitales de elevación?

Los modelos digitales de elevación (DEMs) son necesarios para mapear y modelar los peligros y riesgos naturales que están influenciados por la topografía, por ejemplo las inundaciones y deslizamientos de tierra.

Como el agua sólo corre hacia aguas abajo, el flujo es canalizado por objetos que están más altos que el nivel del agua, la información de elevación es utilizada para modelar el flujo de agua y determinar en caso de inundaciones posibles áreas de inundación.  Los procedimientos paso a paso sobre cómo usar los DEMs para modelar inundaciones se proporcionan en la práctica recomendada de la Universidad de Purdue (link a la práctica).

La pendiente es el factor decisivo en los deslizamientos de tierra. En general, los deslizamientos ocurren sólo en áreas con cierto contraste de relieve inicial en el área de origen del deslizamiento. La pendiente se puede obtener fácilmente de los DEMs, cualquier software estándar de detección remota proporciona herramientas para obtener automáticamente una imagen de pendiente desde un DEM. En un estudio realizado por el Centro Nacional de Investigación de Geo-ciencias en Alemania (GFZ Helmholtz Center Potsdam) y publicado en agosto de 2014, se utilizó un DEM de 30m de resolución espacial derivado de los datos de la banda X de la misión STRM (Shuttle Radar Topography Mission) en febrero de 2000, en combinación con trayectorias multi-temporales del NDVI derivadas de imágenes satelitales ópticas RapidEye de 5m de resolución, para detectar automáticamente deslizamientos en grandes áreas. Este enfoque se puede utilizar para generar inventarios de deslizamientos multi-temporales y un monitoreo regular de actividades de deslizamientos. Se aplicó con éxito en un área de estudio en Kyrgyzstan con un promedio de deslizamiento de aproximadamente 13.000m2. Según los autores del estudio, se necesita un mayor desarrollo metodológico para adaptar el enfoque a las regiones donde los entornos difieren en gran medida de las condiciones en Asia Central (link al artículo).

Además, los DEMs son necesarios para la ortorectificación (georeferenciación) de imágenes satelitales. Las imágenes satelitales tomadas en diferentes ángulos de vista sólo se pueden comparar cuando se ortorectifican (georeferencian), de lo contrario los píxeles no se alinean.

¿Cómo se mide la elevación desde el espacio?

La elevación se puede medir desde el espacio utilizando diferentes metodologías diseñadas para diferentes sensores. Para sensores de radar se aplica SAR interferométrico (InSAR). En sensores ópticos se analizan imágenes estéreo para obtener la información de elevación.

Las mediciones de elevación del terreno se hacen también con el uso de tecnología espacial. Las computadoras de mano con receptores incorporados para los sistemas de navegación global por satélite (GNSS), como el GPS, se utilizan para estimar la elevación sobre la tierra. Con el GPS diferencial (D-GPS), la elevación sobre la tierra se puede medir con alta precisión. Estas mediciones se utilizan para modelar y validar la elevación en base a imágenes satelitales.

Se pueden realizar mediciones de elevación muy precisas y de alta resolución utilizando instrumentos láser aerotransportandos (Lidar). El primer instrumento Lidar espacial para las observaciones globales de la Tierra, fue el sistema de altímetro láser Geoscience (GLAS) a bordo del ICESat (2003-2009), que fue diseñado para medir la topografía y los cambios asociados de la capa de hielo. Los DEM resultantes para la Antártida y Groenlandia tienen una resolución espacial horizontal de 500m y 1km. El ICESat-2 (2018) recientemente lanzado abordo del instrumento ATLAS, también está diseñado para observar los cambios de elevación en la capa de hielo (cf. este video de NASA para entender como funciona el sensor ATLAS).

¿Cómo puedo acceder a los modelos digitales de elevación?

Desde el 28 de septiembre de 2018, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) ofrece gratuitamente un modelo de elevación digital global (DEM) de 90m de resolución. Es parte de los productos derivados de la misión TanDEM-X (complemento TerraSAR-X para mediciones digitales de elevación) que permitió capturar una resolución horizontal de 12m y una precisión vertical mejor que 2m (fuente JCR) o más/menos 10m (fuente DRL). El modelo derivado de TanDEM-X (DEM) cubre todas las superficies terrestres de la Tierra sin brechas. Captura la elevación desde 2010-2015 y representa una actualización del producto DEM de Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) utilizado desde el año 2000.

  • El TanDEM_X de 90m es de libre acceso en el Geoservice DRL y tiene una alta precisión de elevación, de hasta ~1m aproximadamente en algunas áreas. (link a los datos)
  • Además, los modelos de 12m y 30m, están disponibles para fines científicos. Sin embargo, estas están sujetos a restricciones debido al potencial de explotación comercial.

Los productos del Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), que se realizó a bordo del transbordador espacial Endeavor entre 11 y 22 de febrero de 2000, también están disponibles en diferentes versiones y resoluciones, como se presentan a continuación. Si bien los datos de TanDEM-X no tienen huecos y alta resolución, se puede acceder a los datos SRTM si se quiere una mayor resolución. Una comparación entre los DEM de SRTM y TanDEM-X, puede ilustrar los efectos de la minería y los deslizamientos ocurridos entre ambas misiones.

  • SRTM 1 arco-segundo, los datos están disponibles en una resolución horizontal de aproximadamente 30m, y ahora están disponibles a nivel mundial. (link a los datos)
  • SRTM 3 arco-segundos, sin y con vacíos llenos por NGA (aproximadamente 90m de resolución horizontal). Se informa que el error vertical es inferior a 16m (fuente: JCR) o más/menos 10m (fuente: DLR). Los datos están disponibles para toda la superficie terrestre entre 60º norte y 60º sur. (link a los datos)
  • SRTM 3 arco-segundos, con vacíos llenos por CGIAR-CSI y JCR. (link to the data)
  • Mientras que los DEM anteriores se basan en datos de la banca C del SRTM, el Centro Aeroespacial Alemán (DRL) también proporciona un DEM basado en datos de banda X del SRTM. La resolución horizontal es de 25m según DRL, la precisión vertical es de más/menos 6m. Los datos están disponibles para toda la superficie terrestre entre 60º norte y 60º sur, no cubren toda la superficie terrestre. (link a los datos)

La misión Tandem-X comenzó en junio de 2010 y ya ha superado su vida útil prevista de 5.5 años. Tanto TanDEM-X como TerraSAR-X todavía están orbitando la tierra y adquiriendo imágenes para detectar cambios topográficos que hayan ocurrido como resultado de terremotos, desprendimiento de glaciares, áreas agrícolas o zonas urbanas.

No sólo los sensores mencionados anteriormente se pueden utilizar para crear un DEM. Un ejemplo de un DEM derivado de sensores ópticos es el ASTER Global DEM. Cubre toda la superficie terrestre entre 83º norte y 83º sur, con una precisión de 1 arco-segundo (aproximadamente 30m). La precisión vertical es generalmente entre 10 y 25m. El ASTER DEM contiene algunos artefactos que podrían afectar su utilidad en ciertas aplicaciones (cf. informe resumen de validación). (link a los datos)

Otros DEM disponibles de forma gratuita incluyen GTOPO 30 a 1km de resolución horizontal derivada de diferentes fuentes raster y vectoriales que cubren toda la superficie terrestre (link a los datos), o la Topografía Global de Resolución Múltiple (GMRT), que incluye batimetría del fondo marino (link a los datos).

Explorando DEMs

Una herramienta amigable y fácil de utilizar en los perfiles de elevación de cualquier área de interés, son los perfiles de elevación de Google Earth (Como hacerlo). La imagen de abajo muestra un ejemplo del perfil de elevación para el deslizamiento de tierra en Indonesia para la cual se activó la Carta Internacional sobre Espacio y Grandes Desastre el 15 de diciembre de 2014.

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