Análisis de MDT y superficies con ArcGIS

Análisis de MDT y superficies con ArcGIS

En otros tutoriales hemos realizado diversas operaciones con datos raster, hemos aprendido a usar la calculadora raster, la unión de raster con ArcGIS, distancia euclidiana y reclasificación raster y a extraer valores de un raster. En esta ocasión, vamos a aprender a obtener información de un Modelo Digital del Terreno (MDT) con ArcGIS.

Mapas derivados del Modelo Digital del Terreno

Un Modelo Digital de Elevaciones (MDE o DEM “Digital Elevation Model”) es un modelo o representación gráfica 3D de la superficie de un terreno, generado a partir de los datos de elevación (altura de los puntos de la superficie sobre el nivel medio del mar).

Los MDE engloblan a su vez a los Modelos Digitales del Terreno (MDT) y a los Modelos Digitales de Superficie (MDS):

  • MDT: Modelo Digital del Terreno. Representa la superficie del suelo desnudo, sin objetos sobre la misma (sin edificaciones, plantaciones, etc). El MDT es la base para la modelización y estudio de inundaciones, diseño de drenajes, planificación del suelo, etc.
  • MDS: Modelo Digital de Superficie. Representa la superficie de la tierra, incluyendo todos los objetos sobre la misma y se utiliza para modelar zonas urbanas o paisajes así como para realizar aplicaciones de visualización y conteo.

01_Analisis de MDT

Los MDE permiten obtener información interesante para realizar estudios sobre factores relacionados con la topografía. Nosotros vamos a trabajar con un MDT descargado de la página oficial del IGN .

Mapa de SOMBREADO

Los mapas de iluminación – sombreado muestran la iluminación hipotética que tiene una superficie. Resultan útiles para mejorar la visualización de una superficie para su análisis o visualización gráfica.

Para ello se configura la posición de una fuente de luz hipotética y se calculan los valores de iluminación de cada celda respecto de las celdas vecinas.

Se debe tener en cuenta la ubicación del sol en el cielo la cual se determina en base a dos parámetros:

  • Acimut (azimut): es la dirección angular del sol, medida de 0 a 360 grados desde el Norte en sentido de las agujas del reloj. El acimut predeterminado del sol (dirección) para el sombreado es 315 grados.
  • Altitud: Se trata de la pendiente o el ángulo de la fuente de iluminación por encima del horizonte. Las unidades se expresan en grados, de 0 (en el horizonte) a 90 (arriba) y la altitud predeterminada del sol para el sombreado es 45 grados.

Vamos a generar el mapa de sombreado de nuestra zona: ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Surface < Hillshade.

Seleccionamos el MDT, damos un nombre a la capa de salida y dejamos el azimut y la altitud que presenta el programa por defecto.

02_Analisis de MDT

03_Analisis de MDT

Si le damos transparencia al raster de sombreados y lo superponemos con el MDT, conseguiremos resaltar determinadas zonas lo que nos proporciona una mejor visualización de las características del relieve de nuestro área de estudio.

Mapa de CURVATURA

Esta herramienta permite visualizar si una zona del terreno es cóncava o convexa.
Los canales y arroyos aparecen como superficies cóncavas. Por el contrario las zonas con cadenas montañosas aparecen como superficies convexas.

En el análisis de curvatura se pueden configurar dos opciones que se utilizan principalmente para la interpretación de las corrientes de agua y la erosión:

  • Perfil: la curvatura de perfil es paralela a la pendiente e indica la dirección de la pendiente máxima.
  • Plano: la curvatura del plano es perpendicular a la dirección de la pendiente máxima y se relaciona con la convergencia y divergencia de la corriente por una superficie.

Realizamos el análisis de curvatura de nuestra zona: ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Surface < Curvature.

Seleccionamos el MDT, asignamos un nombre al raster de salida y configuramos también un nombre para los raster de perfil y curvatura:

04_Analisis de MDT

Obtenemos 3 raster distintos. Haciendo zoom a cada uno de ellos podemos ver las diferencias de visualización:

05_Analisis de MDT

Raster de curvatura

06_Analisis de MDT

Raster de curvatura de perfil

07_Analisis de MDT

Raster de curvatura plano

Mapa de ORIENTACIONES

El mapa de orientaciones nos aporta información de la dirección de pendiente descendente que presenta cada celda, es decir, la dirección de brújula a la que apunta la superficie en cada ubicación.

La orientación se mide en el sentido de las agujas del reloj en grados de 0 (hacia el norte) a 360 (hacia el norte, nuevamente), formando un círculo completo.

Las áreas planas no tienen dirección de pendiente descendente por lo que tomarán el valor de -1.

Este tipo de mapas son muy interesantes ya que gracias a ellos podemos realizar multitud de análisis del terreno. Pueden utilizarse por ejemplo para identificar las áreas planas donde pueda aterrizar un avión en caso de emergencia o identificar las pendientes hacia el sur en una zona montañosa con el objetivo de conocer cuáles son las ubicaciones donde es posible que la nieve se derrita primero, como parte de un estudio para identificar las ubicaciones residenciales que son propensas a ser afectadas primero por la escorrentía.

Generamos entonces nuestro mapa de orientaciones: ArcToolbox < Spatial Analyst < Surface < Aspect.

Para este mapa únicamente tenemos que indicar cuál es el MDT y asignar un nombre al raster de salida:

08_Analisis de MDT

La leyenda nos muestra 8 orientaciones (N, NE, E, SE, S, SO, O y SO) además de las zonas planas (que toman el valor de -1).

Los valores de las celdas son los que se muestran en las etiquetas de la leyenda. Así por ejemplo, una celda que toma valores entre 292,5 y 337,5 tiene una orientación NO y aparece coloreada en morado.

09_Analisis de MDT

Si quieres saber más sobre este tipo de mapas puedes leer nuestro artículo de Mapa de orientaciones con ArcGIS.

Mapa de PENDIENTES

Este tipo de mapas representa la pendiente (en gradiente o tasa de cambio máximo en el valor z) desde cada celda de una superficie raster. Así, cuanto menor sea el valor de la pendiente, más plano será el terreno y, lógicamente, cuanto más alto sea el valor de la pendiente mayor inclinación tendrá.

Los mapas de pendientes son de gran utilidad en multitud de estudios y proyectos en diversos campos de aplicación como los estudios hidrológicos o los modelos de erosión.

Obtenemos el mapa de pendientes de nuestra zona: ArcToolbox < Spatial Analyst < Surface < Slope.

Seleccionamos el MDT y asignamos un nombre a la capa de salida:

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Además, la herramienta permite calcular la pendiente de dos maneras: en grados o en elevación en porcentaje; nosotros la calculamos en grados.

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CURVAS DE NIVEL

Las curvas de nivel son líneas que unen puntos de igual altitud y resultan útiles para realizar interpretaciones rápidas de las características topográficas del terreno: ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Surface < Contour.

Seleccionamos nuestro MDT y le damos un nombre a la capa que se va a generar.
En este caso hay que indicar el intervalo o distancia entre las líneas que queremos obtener (‘Contour interval’); nosotros indicamos 50 metros:

12_Analisis de MDT

13_Analisis de MDT

HIDROLOGÍA

Gracias a los MDT podemos obtener mapas de direcciones de flujo, mapas de acumulación de flujo y redes de drenaje para realizar estudios hidrológicos.

En este sentido un aspecto muy importante que debemos tener en cuenta es que siempre debemos realizar la corrección del MDT para rellenar los posibles sumideros y para hacerlo contamos con la herramienta Fill: ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Hydrology < Fill.

Seleccionamos el MDT y le asignamos un nombre al raster que se va a generar. El resultado será un raster aparentemente idéntico al MDT pero con las correcciones necesarias para que no haya sumideros. A partir de ahora usaremos este nuevo raster como base para nuestros análisis hidrológicos.

Mapa de dirección de flujo

El mapa de direcciones de flujo representa la dirección que tiene cada celda en base a la dirección del descenso más empinado, o la caída máxima.  A cada celda se le asigna un valor concreto en función de la dirección que presenta, siendo 8 las posibles direcciones:

1=Este 2=Sureste 4=Sur 8=Suroeste 16=Oeste 32=Noroeste 64=Norte 128=Noreste.

ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Hydrology < Flow Direction

Seleccionamos el MDT corregido (en este caso debemos seleccionar el denominado “Fill”) y como siempre asignamos un nombre a la capa de salida.

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15_Analisis de MDT

Mapa de acumulación de flujo

El mapa de acumulación de flujo representa las zonas donde el flujo se concentra. Las celdas con acumulación de flujo altas son áreas donde existe concentración de flujo, lo que probablemente dé lugar a la existencia de canales de arroyos. Por el contrario, aquellas celdas con valores de acumulación de flujo igual a 0 serán alturas topográficas locales.

La herramienta para obtenerlo se encuentra de nuevo dentro de la caja de herramientas hidrológicas: ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Hydrology < Flow Accumulation

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En este caso debemos seleccionar el raster de direcciones y asignamos un nombre a la capa de salida. Dejamos por defecto “Float” como tipo de dato de salida.

17_Analisis de MDT

Red de drenaje

Podríamos asumir que esta es la red de drenaje que vamos a considerar o bien definir nosotros mismos un mayor o menor nivel de detalle de la misma. Por ejemplo podemos considerar que forman parte de un cauce las celdas donde la acumulación de flujo es de 2000, es decir, las celdas en las cuales vierten 2000 celdas adyacentes.

Para especificarlo tendremos que utilizar una nueva herramienta, la calculadora raster que permite realizar diferentes operaciones matemáticas entre varias capas raster: ArcToolbox < Spatial Analyst Tools < Map Algebra < Raster Calculator

Seleccionamos entonces la capa “Fac” haciendo doble clic sobre ella, pulsamos sobre el signo “>” y escribimos el valor “2000”. Para terminar asignamos un nombre a la nueva capa que se va a generar:

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Mapas de VISIBILIDAD

Cuenca visual

Mediante la herramienta de cuenca visual se identifican las celdas de un raster que se verían desde una o varias ubicaciones concretas. 

Nosotros queremos conocer qué zonas del terreno son visibles desde una torre de incendios.

20_Analisis_MDT

ArcToolbox < Spatial Analyst < Surface < Viewshed.

Seleccionamos el MDT e indicamos cual es la capa que contiene los puntos sobre los que vamos a lanzar el cálculo (torre de incendios). Por último y como de costumbre asignamos un nombre a la capa de salida y dejamos el resto de parámetros que aparecen por defecto:

21_Analisis de MDT

El raster que obtenemos presenta dos clasificaciones:

  • Zonas Visibles: en color verde
  • Zonas No Visibles: en color rosa

Esto significa que todas las celdas verdes son visibles desde la torre, al contrario de las zonas rosas que no lo son:

22_Analisis de MDT

Si quieres saber más sobre este tipo de mapas puedes leer nuestro artículo de Cuencas visuales con ArcGIS.

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Rebeca Benayas Polo

LICENCIADA EN CIENCIAS AMBIENTALES Y MASTER EN HIDROLOGÍA Y GESTIÓN DE RECURSOS HÍDRICOS Desempeña su labor profesional como consultora técnica en hidrología, Planificación Hidrológica y SIG (INTECSA-INARSA, S.A., Tragsatec, S.A., CYTSA, S.A.). A lo largo de su trayectoria profesional ha participado en la elaboración y seguimiento de diferentes planes hidrológicos: Ebro, Miño-Sil, Cuencas Mediterráneas Andaluzas y Cuencas Internas del País Vasco.