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The Earth’s Relief

El pasado 18 de febrero tuvimos la oportunidad de asistir a la reunión que Geoinquietos Euskadi celebró en la ciudad de Vitoria. En ella presentamos el trabajo que desde la Asociación ClusterGIS hemos desarrollado en los últimos meses cuyo fin ha sido la creación de un sombreado de relieve global, en base a los últimos datos de elevaciones publicados por el proyecto de la NASA “Shuttle Radar Topography Mission” (SRTM).

Reproducimos a continuación los aspectos más significativos de nuestro trabajo, confiando en que sea de vuestro interés:

 

LA MISIÓN SRTM

La Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) de la NASA tiene como objetivo la obtención de un modelo digital de elevaciones (DEM) de ámbito global, a partir de los datos de interferometría radar capturados por el transbordador espacial “Endeavour”, durante la misión STS-99, desarrollada entre el 11 y 21 de febrero de 2000.

Página web de la misión SRTM

Página web de la misión SRTM

SRTM es un proyecto internacional liderado por la National Aeronautics and Space Administration (NASA) y la National Geospatial-Intelligence Agency (NGA), con la participación de las agencias espaciales de Alemania e Italia.

Los datos de elevación se han ido procesando en fases sucesivas. La versión 3.0 desarrollada dentro del programa NASA MEaSUREs (Making Earth System Data Records for Use in Research Environments), ha procurado rellenar los huecos existentes (voids), a partir de los datos de elevación: ASTER Global Digital Elevation Model (GDEM) Version 2.0, Global Multi-resolution Terrain Elevation Data 2010 (GMTED2010) y National Elevation Dataset (NED)

Los datos DEM SRTM V3.0 se han distribuido públicamente desde un primer momento para todo el ámbito geográfico de la misión (60°N hasta 56°S, 180°W hasta 180°E), con una resolución de un arco de 3 segundos SRTMGL3, lo que equivale aproximadamente a un pixel de 90 metros, y para el territorio de los Estados Unidos de América, con una resolución de un arco de un segundo SRTMGL1, equivalente a 30m/pixel.

Descripción de datos SRTM GL1 V003

Descripción de datos SRTM GL1 V003

 

EL PROYECTO “THE EARTH’S RELIEF”

Hace algo más de un año, en septiembre de 2014, aprovechando la reunión de Jefes de Estado que se celebró en la Cumbre del Clima de New York, la Casa Blanca anunció la liberación de los datos generados por la misión SRTM, en su máxima resolución (arco de 1 segundo).

 

Teselas del proyecto SRTM (by NASA)

Teselas del proyecto SRTM (by NASA)

 

Esta liberación, que se debería producir paulatinamente a lo largo de un año, comenzó el mismo mes de la conferencia, con la puesta a disposición pública del Modelo Digital de Elevaciones (DEM) del continente africano, concluyendo las entregas en septiembre de 2015.

La disponibilidad de estos datos y las experiencias previas de renderizado de relieve que habíamos realizado en nuestra asociación, sobre la base del Modelo Digital de Elevaciones de 5x5m del Instituto Geográfico Nacional de España (IGN), nos animaron a abordar un proyecto de renderización de ámbito global, a partir de los nuevos datos SRTMGL1.

 

Servicio de tiles "Physical Spain"

Servicio de tiles “Physical Spain”

 

El objetivo era poner a disposición pública imágenes monocromas georreferenciadas de relieve para toda la superficie cubierta por la misión de la NASA.

 

EL PROCESADO DE DATOS

El sombreado del modelo digital de elevaciones, se obtiene mediante la implementación de un proceso de representación del relieve, basado en la metodología propuesta por Collette Gantenbein (Universidad de Idaho) y publicada por el U.S. Geological Survey bajo el nombre “Creating Shaded Relief for Geologic Mapping using Multiple Light Sources”.

En nuestro post “Hipsometría e hipsografía (VII). Sombreado del relieve” se explica de forma completa todo el proceso de generación del modelo de sombreado realizado para el caso español, muy similar al utilizado ahora, del que recogemos aquí los aspectos esenciales.

Básicamente se trata de una técnica de sombreado que consiste en la proyección sobre un modelo digital del terreno de múltiples fuentes de luz desde distintos ángulos y alturas, con el fin de suavizar los contrastes entre las zonas de sombra y las zonas muy brillantes que se producirían bajo la iluminación de una única fuente de luz.

 

Comparación de relieve con uno o tres focos

Comparación de relieve con uno o tres focos

 

Con la aplicación de las transparencias adecuadas, esta técnica permite resaltar los pequeños detalles del terreno que por su orientación pasarían desapercibidos en un estudio de luz unidireccional.

Igual que hicimos en el caso español, el procesamiento ha sido diseñado con el software FME de Safe Software, haciendo uso del transformador RasterHillshader, que ofrece la posibilidad de calcular un sombreado fijando el azimut y la altitud del foco de iluminación, así como un criterio de interpolación y el algoritmo de cálculo para su ajuste a terrenos más o menos lisos o rugosos.

 

Procesado del foco de iluminación 1

Procesado del foco de iluminación 1

Procesado del foco de iluminación 2

Procesado del foco de iluminación 2

Procesado del foco de iluminación 3

Procesado del foco de iluminación 3

 

De esta manera se obtienen tres modelos de sombreado que se tratan independientemente, para componer los canales RGB de la imagen final y para generar una banda alpha con el fin de aplicar la transparencia que se determine para cada una de las imágenes generadas.

 

Impacto Acimut Altitud Transparencia
Alto 350º 70º 65%
Medio 15º 60º 50%
Bajo 270º 55º 70%

 

Las imágenes resultantes se funden en una imagen final en la que se elimina el canal alpha, ya que existen formatos que no lo soportan.

 

Procesado FME de la unión de imágenes

Procesado FME de la unión de imágenes

 

Con objeto de lograr un modelo visual continuo, ha sido necesario utilizar unidades de trabajo mayores que la cuadrícula de 1ºx1º, en la que generalmente se distribuyen los datos DEM. El objetivo de hacerlo así, ha sido que el modelo de iluminación en la zona de unión tuviera en cuenta las características del terreno que circunda a la tesela final y evitar de esta manera discontinuidades en la zona de transición.

Los datos base utilizados para nuestro cálculo “Shuttle Radar Topography Mission (SRTM GL1) Global 30m” se han obtenido de la página web de Open Topography a través del servicio “RESTful Web service for Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) data access”.

 

Servicio RESTful de Open Topography

Servicio RESTful de Open Topography

 

Este servicio REST permite obtener datos SRTMGL3 y SRTMGL1 en distintos formatos ráster, especificando las coordenadas de sus límites. Nosotros hemos elegido para nuestro procesamiento el formato de salida ASCII Grid.

Disponer de un servicio REST tan flexible, nos ha sido de gran ayuda para conseguir unas unidades de procesamiento superiores a la cuadrícula de distribución de datos clásica de 1ºx1º.

Del conjunto de 14.326 teselas que se corresponden con el total de tierras emergidas, hemos obtenido datos de elevación para 14.277 cuadrículas, no disponiendo de información en 30 teselas que en principio contemplaba el proyecto de la NASA. Por otra parte hemos detectado la existencia de otras 19 teselas que no se habían considerado en el gráfico del proyecto y para las que tampoco se dispone de datos.

Después de un arduo trabajo de comprobación, el gráfico de teselas resultante para las que existe/no existe información DEM es el siguiente:

 

Teselas del proyecto The Earth's Relief

Teselas del proyecto The Earth’s Relief

 

Es necesario señalar que las zonas donde no se dispone de datos, se corresponden en la mayoría de los casos con atolones de escasa entidad y elevación.

De esta manera hemos segmentado el procesamiento en 14.277 lotes de trabajo que han sido tratados individualmente y comprobados en su conjunto.

 

LAS IMÁGENES DE RELIEVE

Realizadas las primeras pruebas en noviembre de 2015, en diciembre de 2015 pudimos disponer la primera colección completa de imágenes georreferenciadas, con una resolución gráfica de 30×30 m/pixel, muy similar en términos geográficos a la resolución espacial del modelo de elevaciones.

 

Teselas de la colección 30m/px

Teselas de la colección 30m/px

 

Dado que los ficheros gráficos se generan a partir de la simulación de tres focos de luz proyectados sobre un modelo 3D, nos pareció que era posible afinar un poco más la resolución de las imágenes, con objeto de que estas pudieran ser utilizadas en proyectos cartográficos con valores de escala mayores.

Después de otra batería de pruebas, decidimos generar una nueva colección con una resolución gráfica de 15 m/pixel.

 

Imagen n27e103

Imagen n27e103

Detalle de la imagen n27e103

Detalle de la imagen n27e103

 

Para el acceso a los datos hemos habilitado una página web con el nombre del proyecto http://theearthsrelief.com, desde donde es posible descargar de forma gratuita las imágenes de relieve de ambas colecciones: 15m y 30m/pixel, bajo una licencia de uso Creative Commons (By).

 

Página web The Earth's Relief

Página web The Earth’s Relief

 

Los ficheros, en formato geotiff, se corresponden con una cobertura espacial de 1ºx1º, estando referenciados en el sistema geográfico WGS84/Pseudo-Mercator-Spherical Mercator EPSG.3857.

Nos ha parecido oportuno ofrecer la información en el sistema de proyección EPSG:3857 con el fin de conseguir una integración directa con los servicios cartográficos diseñados para dispositivos móviles, así como para facilitar una fácil conversión en servicios de tiles TS/TMS.

Esperamos que los datos que ponemos a vuestra disposición os resulten de utilidad, pero recordad que el uso de los mismos implica la referencia de atribución: “The Earth’s Relief by ClusterGIS”.

 

Utilización del relieve con OSM. Parque Nacional del Teide

Utilización del relieve con OSM. Parque Nacional del Teide

 

ATRIBUCIÓN DE LOS DATOS FUENTE UTILIZADOS

El material que utilizamos en el proyecto “The Earth’s Relief” (SRTM GL1 Global 30m) está basado en los datos facilitados por The OpenTopography Facility con soporte de la National Science Foundation bajo concesión NSF números: 1226353 y 1225810

Nos gustaría expresar nuestra gratitud a la NASA y a la organización Open Topography, sin cuyo trabajo no hubiera sido posible abordar este proyecto.

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Mapas Base

DISEÑANDO MAPAS BASE

Como nosotros, posiblemente hayas escuchado últimamente de forma reiterada la expresión “mapa base”. La razón probablemente se debe a la popularización de los servicios de publicación de mapas en la web, también conocidos como cartografía en la nube.

Estos servicios ofrecen a cualquier usuario la posibilidad de diseñar mapas para su uso en Internet de forma muy sencilla y rápida, simbolizando elementos geográficos propios sobre fondos cartográficos prediseñados de antemano, denominados mapas base.

La principal propiedad que diferencia estos mapas base de un mapa convencional es su diseño. A diferencia de otros mapas, un mapa base debe ofrecer un marco de referencia suficientemente rico en información pero al mismo tiempo muy ajustado en contenidos, en el que la elección de tramas, símbolos y colores se debe realizar teniendo en cuenta que sobre ellos se van a representar otros elementos a los que el mapa base no debe robar protagonismo ni modificar en su esencia.

En el caso de fondos cartográficos claros, esto se consigue mediante la utilización de una gama de colores poco saturados y luminosos. El diseño de estos mapas de referencia debe tener en cuenta que la utilización de colores muy vibrantes impide colocar en un primer plano visual la información del usuario, haciendo muy difícil que esta se pueda diferenciar del fondo de referencia (los fondos cartográficos oscuros o nocturnos, hoy tan de moda, siguen reglas ligeramente diferentes).

Mapa Base Positron ofrecido por CartoDB (CC BY 3.0)

Mapa Base Positron ofrecido por CartoDB (CC BY 3.0)

Se debe considerar también que la utilización de gamas de colores muy variadas, traslada al cliente de los servicios de mapas un problema a la hora de elegir los colores a utilizar para los elementos a superponer, ya que rebaja la posibilidad de discriminar cromáticamente el elemento simbólico del fondo, por lo que limitar las gamas de color en este caso siempre es una buena opción.

Por otra parte no se debe olvidar que la utilización de escalas de colores oscuros tiende a empastar el mapa final alterando significativamente el cromatismo de los elementos superpuestos cuando se utilizan semitransparencias.

El capítulo de la información textual a incluir en un mapa base merece consideración aparte, siendo uno de los aspectos más complicados de manejar, en cuanto que la selección y ubicación de textos se realiza normalmente de forma automática, según los criterios de filtrado y ubicación preferente establecidos por el diseñador.

Aunque la selección de fuentes y tamaños atiende preferentemente al gusto personal del cartógrafo, es aconsejable que sea consecuente con unos criterios de información que el espectador pueda fácilmente deducir. Como regla general es preferible no abusar de la información textual reduciéndola al mínimo estrictamente necesario.

Finalmente hay que tener en cuenta que este tipo de mapas deben atender una gama muy importante de escalas, ya que los visualizadores geográficos en los que se van a representar, se suelen mover desde la escala 1:500.000.000 hasta la escala 1:1.000, pudiendo llegar hasta valores 1:250. Por ello es necesario realizar un estudio muy detallado de los elementos cartográficos que debe ofrecer el mapa para cada uno de los niveles de detalle soportados por el visualizador, intentando no reutilizar ni repetir diseños y cuidando al mismo tiempo la suavidad de las transiciones entre niveles de zoom contiguos.

Mapa Base Dark Matter ofrecido por CartoDB (CC BY 3.0)

Mapa Base Dark Matter ofrecido por CartoDB (CC BY 3.0)

Manejar el conjunto de todas estas variables requiere realizar un ejercicio de diseño importante, especialmente en los casos en los que se ofrece un marco de referencia físico que incluye altimetría y relieve.

De todo esto se deduce que cualquier mapa que no haya sido diseñado específicamente para ser utilizado como mapa base, no puede atender correctamente esta función.

Desgraciadamente está muy extendida la práctica de hacer pasar como mapas base colecciones cartográficas que en su día fueron diseñadas con otro fin, siendo también numerosos los casos en los que el diseñador del mapa base no ha tenido en cuenta el uso para el que este va destinado, ni se ha tomado la molestia suficiente de considerar que niveles de detalle diferentes, exigen diseños diferentes.

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