Geomorfometría

La geomorfometría , o geomorfometría ( griego antiguo : γῆ , romanizado :  gê , lit. ' tierra ' + griego antiguo : μορφή , romanizado :  morphḗ , lit. ' forma, figura ' + griego antiguo : μέτρον , romanizado :  métron , lit. ' medida ' ), es la ciencia y la práctica de medir las características del terreno , la forma de la superficie de la Tierra y los efectos de esta forma de la superficie en la geografía humana y natural. ^{[ 1 ]} Reúne varias técnicas matemáticas, estadísticas y de procesamiento de imágenes que pueden utilizarse para cuantificar aspectos morfológicos, hidrológicos, ecológicos y otros de una superficie terrestre. Los sinónimos comunes de geomorfometría son análisis geomorfológico (después de geomorfología ), morfometría del terreno , análisis del terreno y análisis de la superficie terrestre . La geomorfometría es la disciplina basada en las mediciones computacionales de la geometría , la topografía y la forma de los horizontes terrestres , y su cambio temporal . ^{[ 2 ]} Este es un componente principal de los sistemas de información geográfica (SIG) y otras herramientas de software para el análisis espacial.

En términos sencillos, la geomorfometría tiene como objetivo extraer parámetros de la superficie terrestre (morfométricos, hidrológicos, climáticos, etc.) y objetos (cuencas hidrográficas, redes fluviales, formas del relieve, etc.) utilizando un modelo digital de superficie terrestre (también conocido como modelo digital de elevación , MDE) y software de parametrización. ^{[ 3 ]} Los parámetros y objetos de la superficie extraídos pueden utilizarse, por ejemplo, para mejorar la cartografía y el modelado de suelos, vegetación, uso del suelo, características geomorfológicas y geológicas , entre otros.

Con el rápido aumento de fuentes de modelos digitales de elevación (MDE) en la actualidad (principalmente gracias a la Misión Topográfica de Radar del Transbordador Espacial y a proyectos basados ​​en LIDAR ), la extracción de parámetros de la superficie terrestre resulta cada vez más atractiva para numerosos campos, desde la agricultura de precisión y la modelización suelo-paisaje hasta aplicaciones climáticas e hidrológicas, pasando por la planificación urbana, la educación y la investigación espacial. La topografía de casi toda la Tierra ha sido muestreada o escaneada, de modo que se dispone de MDE con resoluciones de 100 m o superiores a escala global. Actualmente, los parámetros de la superficie terrestre se utilizan con éxito tanto en la modelización estocástica como en la basada en procesos, siendo el único problema pendiente el nivel de detalle y la precisión vertical del MDE.

Aunque la geomorfometría comenzó con las ideas de Brisson (1808) y Gauss (1827), el campo no evolucionó mucho hasta el desarrollo de los conjuntos de datos SIG y DEM en la década de 1970. ^{[ 4 ]}

La geomorfología (que se centra en los procesos que modifican la superficie terrestre) tiene una larga historia como concepto y área de estudio, siendo la geomorfometría una de las disciplinas relacionadas más antiguas. ^{[ 5 ]} La geomática es una subdisciplina de evolución más reciente, y aún más reciente es el concepto de geomorfometría. Este se ha desarrollado recientemente desde la disponibilidad de software de sistemas de información geográfica (SIG) más flexible y capaz, así como de modelos digitales de elevación (MDE) de mayor resolución. ^{[ 6 ]} Es una respuesta al desarrollo de esta tecnología SIG para recopilar y procesar datos MDE (por ejemplo, teledetección , el programa Landsat y fotogrametría ). Las aplicaciones recientes proceden con la integración de la geomorfometría con variables de análisis de imágenes digitales obtenidas por teledetección aérea y satelital . ^{[ 7 ]} A medida que la red irregular triangulada (TIN) surgió como un modelo alternativo para representar la superficie del terreno, se desarrollaron algoritmos correspondientes para derivar mediciones a partir de ella.

Se pueden obtener diversas mediciones básicas de la superficie del terreno, generalmente aplicando técnicas de cálculo vectorial . Dicho esto, los algoritmos que se utilizan habitualmente en SIG y otros programas informáticos emplean cálculos aproximados que producen resultados similares en mucho menos tiempo con conjuntos de datos discretos que los métodos de funciones continuas puras. ^{[ 8 ]} Se han desarrollado muchas estrategias y algoritmos, cada uno con sus ventajas y desventajas. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Normal de la superficie y gradiente

La normal de la superficie en cualquier punto de la superficie del terreno es un rayo vectorial perpendicular a la superficie. El gradiente de la superficie (${\displaystyle \nabla f}$) es el rayo vectorial tangente a la superficie, en la dirección de la pendiente descendente más pronunciada.

Pendiente

La pendiente o inclinación mide cuán pronunciado es el terreno en cualquier punto de la superficie, desviándose de una superficie horizontal. En principio, es el ángulo entre el vector gradiente y el plano horizontal, dado como una medida angular α (común en aplicaciones científicas) o como la relación${\displaystyle p={\frac {rise}{run}}}$, comúnmente expresado como un porcentaje, de modo que p = tan α . Este último se utiliza frecuentemente en aplicaciones de ingeniería como la construcción de carreteras y ferrocarriles.

La obtención de la pendiente a partir de un modelo digital de elevación ráster requiere calcular una aproximación discreta de la derivada de la superficie basada en la elevación de una celda y las de sus celdas circundantes, y se han desarrollado varios métodos. ^{[ 12 ]} Por ejemplo, el método de Horne, implementado en ArcGIS , utiliza la elevación de una celda y sus ocho vecinas inmediatas, espaciadas por el tamaño de la celda o resolución r : ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Las derivadas parciales se aproximan entonces como promedios ponderados de las diferencias entre los lados opuestos:

${\displaystyle {\frac {\partial z}{\partial x}}\approx {\frac {e_{NE}+2e_{E}+e_{SE}-e_{NW}-2e_{W}-e_{SW}}{8r}}}$

${\displaystyle {\frac {\partial z}{\partial y}}\approx {\frac {e_{NE}+2e_{N}+e_{NE}-e_{SW}-2e_{S}-e_{SW}}{8r}}}$

La pendiente (en porcentaje) se calcula entonces utilizando el teorema de Pitágoras :

${\displaystyle \tan \alpha ={\sqrt {({\frac {\partial z}{\partial x}})^{2}+({\frac {\partial z}{\partial y}})^{2}}}}$

La segunda derivada de la superficie (es decir, la curvatura) se puede obtener utilizando cálculos análogos.

El análisis cuantitativo de superficies mediante geomorfometría proporciona diversas herramientas para científicos y gestores interesados ​​en la gestión del territorio. ^{[ 19 ]} Las áreas de aplicación incluyen:

Ecología del paisaje

Visibilidad

Las montañas y otros accidentes geográficos pueden bloquear la visibilidad entre ubicaciones en lados opuestos. Predecir este efecto es una herramienta valiosa para aplicaciones tan diversas como tácticas militares y la localización de estaciones base de telefonía móvil . Las herramientas comunes en el software de análisis de terreno incluyen el cálculo de la visibilidad en línea recta entre dos puntos y la generación de un campo visual , la región de todos los puntos visibles desde un punto determinado. ^{[ 20 ]}

Como rama relativamente nueva y desconocida de los SIG, el tema de la geomorfometría tiene pocas figuras pioneras «famosas», a diferencia de otros campos como la hidrología ( Robert Horton ) o la geomorfología ( GK Gilbert ^{[ 21 ]} ). En el pasado, la geomorfometría se ha utilizado en muchos estudios (incluidos algunos artículos de geomorfología de gran relevancia de académicos como Evans, Leopold y Wolman). Sin embargo, solo recientemente los profesionales de los SIG han comenzado a integrarla en su trabajo. ^{[ 22 ] [ 23 ]} No obstante, su uso está aumentando entre investigadores como Andy Turner y Joseph Wood.

Las grandes instituciones están desarrollando cada vez más aplicaciones geomorfométricas basadas en SIG. Un ejemplo es la creación de un paquete de software basado en Java para morfometría en colaboración con la Universidad de Leeds .

Las instituciones académicas están destinando cada vez más recursos a la formación en geomorfometría y a cursos específicos, aunque estos todavía se limitan a unas pocas universidades y centros de formación. Los más accesibles en la actualidad incluyen una biblioteca de recursos geomorfométricos en línea en colaboración con la Universidad de Leeds y clases teóricas y prácticas impartidas como parte de módulos SIG más amplios. Los más completos se ofrecen actualmente en la Universidad de Columbia Británica (bajo la supervisión de Brian Klinkenberg) y en la Universidad de Dalhousie .

Los siguientes programas informáticos disponen de módulos o extensiones especializados para el análisis del terreno (enumerados en orden alfabético):

• ANUDEM
• ArcGIS (extensión Spatial Analyst)
• SIG GRASS (r.param.scale, r.slope.aspect, etc.)
• ILWIS
• LandSiervo
• SAGA GIS (Módulos de análisis de terreno)
• Herramientas de análisis geoespacial Whitebox (módulos de análisis de terreno, análisis LiDAR, herramientas hidrológicas y análisis de redes fluviales)

• Modelo digital de elevación : imágenes y mediciones del terreno generadas por computadora en 3D. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento. 
• Geografía – Estudio de la información espacial de la Tierra 
• Geomática – Disciplina de datos geográficos 
• Geometría – Rama de las matemáticas 
• Sistema de información geográfica : sistema para capturar, gestionar y presentar datos geográficos. 
• Geomorfología – Estudio científico de las formas del relieve 
• Formas del relieve : características de la superficie sólida de un cuerpo planetario. Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redireccionamiento. 
• Programa Landsat : red estadounidense de satélites de observación de la Tierra con fines de investigación internacional. 
• Morfometría : estudio cuantitativo del tamaño y la forma. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento. 
• Fotogrametría : toma de medidas mediante la fotografía. 
• Teledetección : obtención de información mediante sensores sin contacto. 
• Modelización científica : actividad científica que produce modelos. 
• Rugosidad de la superficie del suelo – Características del suelo 
• Topografía – Estudio de las formas de las superficies terrestres en la Tierra 

• Mark, DM (1975) Parámetros geomorfométricos: una revisión y evaluación. Geographical Annals, 57, (1); pp 165–177
• Miller, CL y Laflamme, RA (1958): El modelo digital del terreno: teoría y aplicación . Laboratorio de fotogrametría del MIT.
• Pike, RJ. Geomorfometría: progreso, práctica y perspectiva . Zeitschrift für Geomorphologie Suplemento 101 (1995): 221-238.
• Pike, RJ, Evans, I., Hengl, T., 2008. Geomorfometría: una breve guía. Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine . En: Geomorfometría: conceptos, software y aplicaciones , Hengl, T. y Hannes I. Reuter (eds.), Serie Desarrollos en Ciencias del Suelo, vol. 33, Elsevier, pp.  3–33, ISBN 978-0-12-374345-9
• Hengl, Tomislav; Reuter, Hannes I., eds. (2009). Geomorfometría: conceptos, software, aplicaciones . Ámsterdam: Elsevier. ISBN 978-0-12-374345-9.

• www.geomorphometry.org - una asociación sin ánimo de lucro de investigadores y expertos.
• Una revisión exhaustiva de la bibliografía sobre geomorfometría realizada por Richard J. Pike (informe 02-465). Archivada el 18 de febrero de 2017 en Wayback Machine.
• - Universidad de Leeds - Facultad de Geografía, página principal de geomorfometría
• - Ejemplo de resultados geomorfométricos desarrollados por la Universidad de Leeds con parámetros basados ​​en el procesamiento y la resolución.
• - Universidad de Columbia Británica - Departamento de Geografía
• - Universidad de Dalhousie - Módulo de geomorfología y evolución del paisaje