ARTÍCULO CIENTÍFICO

Evaluation of digital land and geopotential models in Ecuador

Evaluación de los modelos digitales de terreno y geopotenciales en el Ecuador

Icono Descripción generada automáticamenteOscar Portilla oskrportilla94@gmail.com

Geoint CÍA. LTDA, Quito, Ecuador.

https://orcid.org/0000-0001-5023-9333

Icono Descripción generada automáticamenteCésar Leiva

Grupo Geoespacial, Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Sangolquí, Ecuador.

https://orcid.org/0000-0002-3332-6029

Icono Descripción generada automáticamenteMarco Luna

Grupo Geoespacial, Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Sangolquí, Ecuador.

https://orcid.org/0000-0003-1433-2658

  Icono Descripción generada automáticamenteIzar González

ETSI Topografía, Geodesia y Cartografía. Universidad Politécnica de Madrid, Campus Sur UPM, Autovía de Valencia Km 7,5, E-28031 Madrid, España.

https://orcid.org/0000-0001-8540-7974

 

Evaluación de los modelos digitales de terreno y geopotenciales en el Ecuador

La Granja. Revista de Ciencias de la Vida, vol. 38, núm. 2, pp. 59-81, 2023

Universidad Politécnica Salesiana

2023.Universidad Politécnica Salesiana

Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.

 

Recibido: 23-10-2022

Aceptado: 06-06-2023

Publicado: 01-09-2023­

DOI: http://doi.org/10.17163/lgr.n38.2023.05

 

Resumen

Los trabajos de ingeniería utilizan los modelos digitales de elevación para realizar cálculos y modelar fenómenos, conocer su precisión permite determinar la escala de uso y la calidad de los subproductos que se obtienen. Existen modelos libres que son muy utilizados en la práctica, como es el caso de los modelos digitales del terreno (MDTs): Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), ASTER Global Digital Elevation Map (ASTER GDEM), ALOS PALSAR, el MDT generado por el Instituto Geográfico Militar del Ecuador (IGM) y los modelos geopotenciales (MGs): EGM96, EGM08 y el MG creado por el IGM. Se evaluaron los modelos utilizando los puntos de nivelación geométrica y altura elipsoidal levantados por el IGM. Se determinaron los valores atípicos, se compararon las alturas entre los MDTs para conocer su diferencia, se calculó el error cuadrático medio (RMSE) y se definió la precisión y escala a la que se pueden emplear los diferentes modelos. Se concluyó que los MDTs SRTM 30, ALOS PALSAR e IGM pueden utilizarse para trabajos que requieran una precisión inferior a los 10 metros. El MG EGM08 junto con alturas elipsoidales de alta precisión podrían generar modelos de elevación que alcancen una precisión de 1.25 metros, mientras que los MGs EGM96 e IGM pueden generar modelos que alcancen una precisión de 2.5 metros. Las alturas elipsoidales de los MDTs SRTM 30, ALOS PALSAR e IGM obtenidos con los MGs EGM 96 y EGM 08 se pueden utilizar si se requiere una precisión inferior a los 10 metros.

Palabras clave: SRTM, ASTER GDEM, ALOS PALSAR, EGM 96, EGM 08

Abstract

Engineering uses digital elevation models to perform calculations and modeling phenomena, since it allows determining the scale at which they can be used and the quality of the by-products obtained. Two groups of models were evaluated, the digital terrain models (DTMs): Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), ASTER Global Digital Elevation Map (ASTER GDEM), ALOS PALSAR and the DTM generated by the Instituto Geográfico Militar del Ecuador (IGM), and the geopotential models (GMs): EGM96, EGM08 and the GM created by the IGM. For the evaluation, the geometric leveling points and ellipsoidal height raised in one of the IGM projects were used to determine atypical values, calculate the mean square error (RMSE) and define the precision and scale at which the different ones can be used. The heights between the DTMs were compared to know their difference. It was determined that the SRTM 30, ALOS PALSAR and IGM DMTs can be used for jobs that require an accuracy of less than 10 meters. The GM EGM08 together with high precision ellipsoidal heights could generate elevation models that can reach an accuracy of 1.25 meters, while the GMs EGM96 and IGM can generate models that achieve an accuracy of 2.5 meters. The ellipsoidal heights of the SRTM 30, ALOS PALSAR and IGM DTMs obtained with the EGM 96 and EGM 08 GMs can only be used in jobs that require an accuracy of less than 10 meters.

Keywords: SRTM, ASTER GDEM, ALOS PALSAR, EGM 96, EGM 08, orthometric height, ellipsoidal height.

Forma sugerida de citar: Portilla, O., Leiva, C., Luna, M. y González, I. (2023). Evaluación de los modelos digitales de terreno y geopotenciales en el Ecuador. La Granja: Revista de Ciencias de la Vida. Vol. 38(2):59-81. http://doi.org/10.17163/lgr.n38.2023.05.

1       Introducción

Las características del terreno limitan las actividades que el ser humano pueda realizar. Por esta razón, los trabajos de ingeniería analizan las características del terreno y determinan las precisiones específicas que deben tener los modelos para realizar los estudios. Por ejemplo, los ingenieros civiles analizan el terreno antes de construir, los geomorfólogos se encargan de conocer la forma y los procesos que le dieron origen, los topógrafos miden y describen la superficie terrestre. Dependiendo del sistema de referencia vertical que necesite el estudio, existen diferentes modelos digitales que pueden utilizarse para los estudios. Los modelos digitales de terreno, conocidos como MDT, tienen sus alturas referidas a las características naturales del territorio en estudio. Mientras que los modelos digitales de superficie, conocidos como MDS, refieren sus alturas sobre el suelo (Li, Zhu y Gold, 2004).

La importancia de contar con modelos digitales de elevación de alta calidad radica en la numerosa cantidad de aplicaciones que existen. Entre las más actuales y que más precisión exigen está, la agricultura (Sinde-González y col., 2021), la obra civil (Abbondati y col., 2020), la arqueología (Villasenín, Gil-Docampo y Ortiz-Sanz, 2017; Gil-Docampo y col., 2023), la gestión ambiental (McClean, Dawson y Kilsby, 2020) o la planificación territorial (Zafar y Zaidi, 2019), entre otras. Sin embargo, a escala planetaria, no se requieren precisiones a nivel del centímetro y por eso se utilizan modelos globales. Las aplicaciones se enfocan en ese caso a estudios de geodinámica (Luna y col., 2017) y geodesia (Orejuela y col., 2021).

La definición del Sistema de Referencia Vertical SIRGAS es idéntica a la definición del Sistema Internacional de Referencia de Alturas (IHRS), ya que ambas señalan la importancia de utilizar alturas físicas para el desarrollo de los trabajos de ingeniería (Sánchez, 2015). La altura ortométrica es la altura física más utilizada en la práctica y se obtiene al dividir la cota geopotencial para un valor medio de gravedad (Drewes y col., 2002). La ondulación geoidal depende del elipsoide que se utilice, pero aproximadamente su variabilidad está dentro de los ± 100 (m) (Seeber, 1993). Como es conocido, el posicionamiento GNSS proporciona alturas elipsoidales de alta precisión de una forma eficiente, pero para obtener alturas ortométricas de alta precisión es necesario generar MGs de alta precisión (Martínez y Bethencourt, 2012).

 

1.1   MDT Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)

Se creó por una iniciativa de la Administración Nacional Aeronáutica y Espacio (NASA), el Centro Aeroespacial Alemán, DLR, y la Agencia Espacial Italiana, ASI. Este es un MDT con dos niveles de resolución, uno de 1 (30 metros) y otro de 3 segundos de arco (90 metros), que abarca el 80% de la superficie terrestre desde los 60° norte hasta los 57° sur. La precisión horizontal del MDT es superior a los ± 20 (m), mientras que la precisión vertical cumple con los ± 16 (m) para el 90% de los datos en toda la misión (Rabus y col., 2003). El tipo de alturas que tiene el MDT SRTM son alturas ortométricas, ya que se utilizó el MG EGM 96 para transformar las alturas elipsoidales (Lemoine y col., 1998).

1.2   MDT generado por el Instituto Geográfico Militar (IGM)

Se generó a partir de las curvas de nivel obtenidas por restitución del proyecto de generación de cartografía 1:5 000. Dichas curvas fueron generalizadas e interpoladas para obtener un MDT con una resolución de 30 (m). El tipo de alturas que tiene el MDT del IGM es ortométrica generada con el MG EGM96 y es recomendada para la generación de cartografía 1:50 000.

1.3   MDT ASTER GDEM

Obtenido por esfuerzos de la NASA y METI a mediados de octubre de 2011. Este modelo cubrió la superficie terrestre desde los 83° norte a los 83° sur; su resolución espacial alcanzó 1 segundo de arco (30 metros) y la precisión vertical es de alrededor de 20 metros con un nivel de confianza del 95%. Las alturas ortométricas del MDT ASTER GDEM se obtuvieron mediante el uso del MG EGM 96 (Tachikawa y col., 2011).

1.4   MDT ALOS PALSAR RTC

Distribuido por Alaska Satellite Facility (ASF), convirtió las alturas ortométricas de los MDTs SRTM o NED en alturas elipsoidales utilizando la herramienta ASF MapReady geoid_adjust. Esta herramienta aplica una corrección de geoide para que el MDE resultante se relacione con el elipsoide (Alaska Satellite Facility, 2021).

En la Tabla 1 se detalla las características técnicas de los MDTs que se utilizaron en la investigación.

Tabla 1. Características técnicas de los MDTs.

 

1.5   MG EGM 96

Posee una resolución espacial de aproximadamente 56 kilómetros, donde se incorporaron datos de gravedad superficial, anomalías de la gravedad de ERS-1 y de la Misión Geodésica GEOSAT, datos satelitales de posición y altimetría de diversos sistemas. El modelo está definido hasta 360 grados, permitiendo calcular 131000 coeficientes armónicos (Lemoine y col., 1998).

1.6   MG EGM 08

Posee una resolución espacial de aproximadamente 9 kilómetros. Fue desarrollado por la combinación de mínimos cuadrados del modelo gravitacional ITG-GRACE03S y su matriz de covarianza de error. Para su generación se utilizó información gravitacional extraída de una cuadrícula equiangular de 5 minutos de arco. Este conjunto de anomalías de gravedad se obtuvo de la fusión de datos de sensores terrestres y aerotransportados con valores derivados de la altimetría. El ajuste por mínimos cuadrados se realizó en términos de armónicos elipsoidales; esta conversión conservó el orden, pero no el grado, lo que da lugar a coeficientes de grado 2190 y orden 2159 (Pavlis y col., 2012).

1.7   MG generado por el IGM

Utilizó técnicas GPS y nivelación geométrica para estructurar y entrenar una red neuronal artificial del tipo Radial Basis Functions (RBF) que permite calcular la ondulación geoidal en cualquier punto mediante interpolación. El MG del IGM obtuvo errores menores de 40 cm y un error medio cuadrático de 15 cm (Tierra y Acurio, 2014).

Los trabajos de ingeniería requieren que los modelos y productos cartográficos cumplan con una determinada precisión, pues desconocer la precisión puede ocasionar problemas económicos y de logística en los trabajos. Los MDTs y MGs empleados en la presente investigación, a excepción del MDT y el MG generado por el IGM, han sido generados a nivel mundial y cuentan con documentación científica que respalda su precisión a nivel mundial, pero ¿la precisión que se ha determinado a nivel mundial se cumple en el Ecuador Continental? De esta manera el presente trabajo busca determinar la precisión de los modelos y la escala máxima que pueden ser implementados para la elaboración de productos cartográficos en el Ecuador Continental.

2       Materiales y métodos

En la Figura 1 se puede observar los datos que se utilizaron: uno de los cuatro MDTs y los puntos de nivelación geométrica y altura elipsoidal levantados en uno de los proyectos del IGM. Si bien es cierto que las alturas niveladas, al ser del tipo geométrico, no servirían para evaluar a las alturas ortométricas de los MDTs que son de tipo físico; por evaluaciones previas realizadas a los MDTs, las cuales fueron expuestas en la introducción, se determinó que en el mejor de los casos, la precisión de los MDTs alcanza los 15 metros y como en el Ecuador Continental se ha determinado que la diferencia entre la altura nivelada y la altura ortométrica llega al orden del metro (Cañizares, 2015).

En la presente investigación se optó por despreciar la diferencia entre altura nivelada y la altura ortométrica, ya que la precisión del MDTs absorberían la diferencia. Existieron puntos que contaban con la altura elipsoidal que sirvieron para evaluar la transformación de las alturas ortométricas de los MDTs en alturas elipsoidales, y en los puntos donde se tenía el dato de altura nivelada y altura elipsoidal se calculó una pseudo ondulación geoidal para evaluar los MGs.

La ecuación fundamental de la geodesia física (Ecuación 1) considera a la ondulación geoidal (N), como la separación vertical entre la altura elipsoidal (h) y la altura ortométrica (H). Esta consideración es empleada en la práctica por la facilidad que tiene para transformar las alturas elipsoidales en ortométricas y viceversa. De esta manera, se evita emplear modelo gravimétricos y medidas de gravedad para obtener alturas físicas, las cuales encarecen los costos de los proyectos.

Figura 1. Elementos utilizados para la evaluación de los MDTs y MGs.

El modelo cartográfico que se observa en la Figura 2 detalla los pasos empleados para evaluar los MDTs con sus diferentes tipos de alturas y los MGs. Se generó una tabla espacial para evaluar los distintos MDTs y MGs, y para ello se georreferenció el levantamiento de alturas niveladas y elipsoidales realizado por el IGM. En cada punto del levantamiento se extrajo el valor de la altura presente en cada píxel de los distintos MDTs, sin recurrir a ningún método de interpolación para la extracción, debido a que cada punto del levantamiento se ubicaba dentro de un solo pixel.