Taller 1. MDE: LIDAR y MDS. - ligit0.uab.esligit0.uab.es/mtig/intranet/assignatures/terreny/t1/Practicas_MDE... · of5mv50tf0f292104ss0r060.tif / of5mv50tf0f292103ss0r060.tif : ortofotos

Modelización y análisis del terreno

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Taller 1. MDE: LIDAR y MDS.

T1.1. Datos LIDAR. Nuevas oportunidades. Nuevas aplicaciones. En los últimos años, la aparición de nuevos dispositivos de captura directa de datos ha permitido generar una pequeña revolución en cuanto a la creación de modelos digitales del terreno. Los dispositivos LIDAR (Light Detection and Ranging) son la principal razón y causa de esta importante mejora. Si bien aún no es una fuente de datos masiva, son múltiples las instituciones tanto públicas como privadas las que comienzan a ofrecer datos LIDAR. Gracias a la colaboración con el Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya, este ha proporcionado un conjunto de documentos y datos muestra que van a permitir poner en práctica los métodos de creación de modelos digitales del terreno a partir de datos LIDAR. Consultar la siguiente documentación:

fonaments_09.pdf: Fundamentos de aplicación de la tecnología LIDAR.

aplicacions_09.pdf: Ejemplos de Aplicaciones LIDAR.

LidarCat_cas.pdf: Especificaciones de los datos LIDAR muestra del ICC.

LAS1_2_Final.pdf: Especificaciones del formato LAS de datos LIDAR. El conjunto de datos proporcionados por el ICC para esta parte práctica son:

cr440634.las : datos LIDAR capturados con dispositivo Leica ALS50-II

cr440634_lasv1_2.las : datos LIDAR en formato v1.2 (Asignación color RGB)

g440634_dtm.txt : modelo digital del terreno a partir de datos LIDAR

h440634_dsm.txt : modelo digital de superfície a partir de datos LIDAR (ASCII to raster para visualizar ambos ficheros)

tscan.ptc : correspondencia color RGB de datos LAS v1.2 of5mv50tf0f292104ss0r060.tif / of5mv50tf0f292103ss0r060.tif : ortofotos 5m de la

zona de estudio. lidar_BT5M.gdb mde : geobase de datos de ficheros con datos vectoriales.

► Copiar de K:\ la carpeta de datos del taller (Taller_1) a vuestro directorio local D:\Terreno. Las técnicas aplicadas en este apartado del taller son aproximaciones al método final. Una aplicación en proyectos reales requerirá de un mayor análisis de la información de partida y en los procedimientos aplicados.

Importación de datos LIDAR (formato LAS)

Los datos LIDAR proporcionados están en formato nativo LAS v.1.0. Todo proceso de trabajo de datos LIDAR requiere de un análisis y preparación de los mismos. Para ellos se establece un flujo de trabajo que debe permitir responder cuestiones como:

o ¿Qué área cubren mis datos?

o ¿Cuál es la densidad de puntos de mis datos?

o ¿Dispongo de suficiente información para los requerimientos de mi proyecto?

o ¿Tengo información extra que no necesite almacenar?

Esto nos dirige hacia la definición del flujo de trabajo que nos debe ayudar analizar la cobertura de nuestra área de estudio y a reestructurar la colección de datos LIDAR en dimensiones manejables antes de preparar la importación a nuestra geobase de datos. A su vez, también es posible derivar un análisis directo de los datos, objetivo de esta primera parte del taller, aunque el resultado final no tenga la calidad esperada.


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En primer lugar vamos a analizar las características de los datos.

▼En ArcCatalog, Desde ArcToolbox buscar la función 3D Analyst Tools > Conversion > From File > Point File Information... Buscar los ficheros cr440634.las y cr440634_lasv1_2.las.

► Output Feature Class: 440634_LAS.shp ► Input File Format: LAS ► Input Coordinate System: European Datum 1950 UTM Zone 31N

Pulsar OK y visualizar resultado El resultado muestra, a través de la tabla de atributos, el número de puntos de cada fichero (PT_Count), la distancia media entre los puntos (PT_Spacing), y valores máximos y mínimos Z.

A partir de estos datos podemos determinar la resolución de los modelos digitales del terreno, que nunca será menor a la distancia media existente entre los puntos LIDAR. Ambos ficheros son idénticos, únicamente diferentes en el formato (utilizaremos el fichero LAS v1.0). Para poder tratar los puntos LIDAR en formato nativo de ArcGIS, hemos de generar una clase de elementos de tipo multipunto, única forma de poder manejar de manera eficiente millones de puntos, preferentemente en formato de geobase de datos de ficheros.

Almaceos


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▼En ArcCatalog, Desde ArcToolbox buscar la función 3D Analyst Tools > Conversion > From File > LAS to Multipoint... ► Input File: buscar fichero cr440634.las ► Output Feature Class: lidar_BT5M.gdb\mde\ Plidar feature class ► Average Point Spacing: 1,15 (metros) ► Input return Values: ANY_RETURNS ► Input Coordinate System: European Datum 1950 UTM Zone 31N

Pulsar OK y visualizar resultado

Generación del MDT y MDS a partir de los puntos LIDAR (formato LAS)

Existen varios procesos para la generación de modelos digitales a partir de los datos LIDAR. El más básico es la conversión directa, mediante métodos de interpolación, de la clase de puntos a formato ráster. Vamos a generar el MDT de elevaciones, el MDS y el modelo de elevaciones de la cubierta vegetal (CHM o canopy height model).

▼En ArcCatalog, Desde ArcToolbox buscar la función Conversion Tools > To Raster > Point to Raster..► Input Features: Plidar ► Value field: Shape ► Output Raster Dataset: PLMDT (modelo digital de elevaciones) ► Cell Assigment Type: MINIMUM ► Cellsize: 4


▼En ArcCatalog, Desde ArcToolbox buscar la función Conversion Tools > To Raster > Point to Raster..► Input Features: Plidar ► Value field: Shape ► Output Raster Dataset: PLMDS (modelo digital de superficie) ► Cell Assigment Type: MAXIMUM ► Cellsize: 4



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▼

En ArcCatalog, Desde ArcToolbox buscar la función Spatial Analyst Tools > Map Algebra > Raster Calculator.. ► Map Algera Expression: …\PLMDS - ...\PLMDT ► Output Raster: PLCHM

Pulsar OK y visualizar resultado Analizar el resultado de los tres modelos. Observar la existencia de zonas sin valores (No Data). Se tratan de zonas en las cuales los datos LIDAR no son capturados a causa de problemas relacionados con la respuesta en el reflejo del pulso laser, coincidente con zonas de masas de agua. Observar las diferencias entre los tres modelos.

Imagen DTM elevaciones imagen DSM imagen CHM

T1.2. La construcción del MDE con datos LIDAR. Terrain Datasets. La generación de modelos digitales de elevaciones a partir de datos LIDAR también puede ser aplicada a través de ArcGIS utilizando la estructura de datos Terrain Dataset. Esta estructura es el formato propio de la geobase de datos para el almacenamiento de estructuras de datos TIN multi-resolución. La estructura topológica del Terrain es idéntica al TIN, pero incluye la capacidad de implementar vistas multi-resolución a partir de la creación de Pirámides (similares al tratamiento de estructuras ráster).

La multi-resolución aplicarse a partir de dos métodos, en función de la tolerancia de elevación definida en las propiedades del terreno, siendo cada nivel de la pirámide una aproximación a la tolerancia vertical total. Este método és adecuado para la construcción de MDE sobre


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superfície, debido a que requiere de mayor capacidad de procesamiento, no debería ser usado con los datos del primer retorno (First Return).

El segundo método de definición consiste en la reducción del número de puntos a partir de una división en ventanas de igual área con una selección representativa de la colección de puntos. Este método es efectivo con todos los tipos de datos, tiene un tiempo de proceso menor, y debería ser utilizado con los datos del primer retorno.

Mediante el Terrain Dataset es posible aplicar el procedimiento tradicional de generación de MDE: creación de una estructura TIN a partir de las fuentes de datos primarias y estructuras auxiliares, y posterior conversión a matríz regular raster. Apliquemos el procedimiento.

Generación de un Terrain a partir de datos LIDAR (formato LAS)

▼

► En ArcCatalog, sobre el Dataset MDE de la geobase de datos lidar_BT5M.gdb analizar el contenido de

las clases de elementos. Aplicar una clasificación en función de su tipo (Mass points, Lines, Replaces,

etc.).

► Sobre el Dataset MDE generar un nuevo Terrain Dataset: New > Terrain… y seguir el asistente

► Terrain Name: TMDElidar ► Feature Classes: Plidar ► Approximate Point Spacing: 1,15 Siguiente… ► Feature Class characteristics: Mass Points, … Siguiente… ► Select Pyramid Type: Window Size ;


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► Point Selection Method: Z Minimum (generar MDE) ; Z Maximum (generar MDS) ; Z Mean (MDT general) ; Z Min/Max (MDT completo). Siguiente…

► Create Terrain Pyramids Properties: pulsar Calculate Pyramid Properties. Siguiente… ► Revisar el sumario de opciones definidas.

Pulsar Finish y esperar… El proceso de creación de un Terrain Dataset puede ser muy duradero, se requiere de una gran capacidad de procesamiento. Una vez finalizado, comprobar los resultados.

Terrain a escala 1:5000 Terrain a escala 1: 2500 Terrain a escala 1:1000

Generación de un Terrain a partir de datos vectoriales primarios y auxiliares

Repetir el proceso de creación del Terrain Dataset, pero utilizar los datos primarios y estructuras auxiliares proporcionadas en la geobase de datos.

▼

► En ArcCatalog, sobre el Dataset MDE de la geobase de datos lidar_BT5M.gdb

► Sobre el Dataset MDE generar un nuevo Terrain Dataset: New > Terrain… y seguir el asistente

► Terrain Name: TMDEvector ► Feature Classes: Corbes, cotas, marco, xarxahidro, hidropol, presa ► Approximate Point Spacing: 5 (de acuerdo a la escala de los datos 1:5000) Siguiente… ► Feature Class characteristics: Mass Points, Line … Siguiente…

► Select Pyramid Type: Window Size ; ► Point Selection Method: Z Minimum (generar MDE) Siguiente… ► Create Terrain Pyramids Properties: pulsar Calculate Pyramid Properties. Siguiente… ► Revisar el sumario de opciones definidas.

Pulsar Finish y esperar…


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Finalizado el nuevo Terrain, analizar sus propiedades y comparar con el modelo obtenido anteriormente. La diferencia se puede considerar sustancial. A través de las opciones de ArcToolbox, es posible añadir elementos (3D Analyst Tools > Terrain Management > Add Feature Class to Terrain / Add Terrain Points ) o eliminar (Remove Feature Class from Terrain / Remove Terrain Points ) a una estructura Terrain. Estas opciones ofrecen nuevas opciones en la modelización del terreno.

Generar el MDE raster

A continuación, sólo queda aplicar el procedimiento de conversión a estructura de datos raster.

▼En ArcCatalog, Desde ArcToolbox buscar la función 3D Analyst Tools > Conversion > From Terrain > Terrain to Raster... ► Input Terrain: TMDElidar ► Output Raster: Rmdelidar ► Output Data Type: FLOAT ► Method: LINEAR ► Sampling Distance: CELLSIZE 4 (metros) ► Pyramid Level Resolution: 0

Pulsar OK y visualizar resultado Visualizar el resultado y comparar con el modelo digital de elevaciones original.

MDE raster a partir de datos LIDAR y Terrain Dataset


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T1.3. Análisis de datos LIDAR. LAS Dataset. La rápida integración del tratamiento de datos LIDAR en los SIG ha generado un impulso en la definición y aportación de nuevas herramientas que faciliten la interpretación y análisis de los mismo. La versión 10.1 de ArcGIS incorpora un nuevo objeto LAS Dataset y añade herramientas específicas para su explotación.

Creación de un LAS Dataset

▼

Desde ArcCatalog, sobre el directorio de trabajo D/TERRENO/DATOS, generar un LAS Dataset. ► Menú contextual sobre la conexión y seleccionar New > LAS Dataset... nombrar como

Las16mtig.lasd ► Acceder a sus propiedades, pestaña LAS Files y pulsar el botón Add Files... ► Seleccionar el fichero cr440634.las del directorio de trabajo. A continuación pulsar el botón

sobre la columna Statistics y calcular o actualizar los valores. Visualizar el resultado

Cálcula y consulta de las propiedades y estadísticas de un fichero LAS

Revisión y análisis de un LAS Dataset

A través de ArcMap, o ArcScene para un entorno 3D, podremos analizar los datos LIDAR de una forma ágil y comprensible.

▼

► Cargar en ArcMap el nuevo LAS Dataset generado. ► Cargar a la interfaz la barra de herramientas LAS Dataset Tools. Explorar las diferentes

opciones que ofrece la barra de herramientas.


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Barra de herramientas LAS Dataset Tools

▼

► Probar los diferentes métodos de representación para la simbología de puntos. ► Probar los diferentes métodos de representación para la simbología de superficies. ► Probar los filtros de selección del nivel de puntos (respuesta).

Representación de puntos Representación de superfícies Filtros sobre puntos También existe la posibilidad de abrir visores específicos para la generación de un perfil 3D (Profile View), o bien visualización de superfícies sobre escenarios 3D (3D View).

Profile View 3D View

Añadir restricciones de superficie (Datos auxiliares)

Las estructuras LAS Dataset también permiten la utilización de estructuras auxiliares, que actúan como una restricción dinámica que se aplica en el momento. Admite todos los tipos de elementos de superficie (mass, line, replace, clip, erase, fill).


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▼

► Desde ArcCatalog, abrir las propiedades del LAS Dataset y añadir un marco al modelo: ► Surface Constraint: marco; Height Source: none; Surface Feature Type: Soft Clip. ► Visualizar el LAS sobre la vista superficie y observar los cambios.

Añadiendo restricciones de superficie

▼

► Añadir una nueva restricción de superficie para modelar correctamente las masas de aguar:► Surface Constraint: hidropol; Height Source: Elevation; Surface Feature Type: Hard

Replace. Pulsar OK y visualizar resultados

Guardar el documento de ArcMap

Restricciones que ayudan a corregir errores o imprecisiones en los datos: masas de agua.


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T1.4. Fuentes de MDE públicas. Actualmente es posible encontrar modelos digitales de elevación públicos, disponibles para descarga directa en la red y su uso directo a través de nuestra aplicación cliente de SIG. Es objetivo de esta parte final del taller dar a conocer dichas fuentes y aplicar los procedimientos de importación.

MDE locales (Catalunya)

A través del Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya es posible obtener MDE o Modelos de Elevaciones del Terreno (MET), tal y como lo denominan. En función de la fuente de datos se distinguen dos grupos de modelos:

a) MET 15/5: construidos a partir de la información vectorial de la BT-5M. Descarga gratuita a través de VISSIR.

b) MET 2/1: construidos a partir de la información capturada a través de dispositivos LIDAR. Datos bajo condiciones de compra.

▼

Accede a la web del ICGC y descarga modelos MET15 y MET5 de nuestra zona de estudio (considerar que esté presente la línea de presa del Sau). Una vez descargada, importar en ArcMap y analizar las propiedades del modelo. ► http://goo.gl/FOpk6d ► ArcToolBox > Conversion Tools > To Raster > ASCII to Raster...

Atención a las unidades de matriz (Float / Integer). Visualizar el resultado

MDE estatales (España)

A través del Centro Nacional de Información Geográfica del IGN, es posible obtener desde su centro de descargas MDE a diferentes escales. En función de la fuente de datos se distinguen tres grupos de modelos:

a) MDT200: distribución por provincias, construido a partir de generalización de MDT05. b) MDT25: distribución por hojas del MTN50. Construido por generalización del MDT05. c) MDT05/MDT05-LIDAR: distribución por hojas del MTN50. Construidos a partir de

fotogrametría o bien vuelos LIDAR, según disponibilidad.

▼Accede a la web del CNIG y descarga modelos MDT200 y/o MDT25/05 de nuestra zona de estudio (intentar que esté presente la línea de presa del Sau). Una vez descargada, importar en ArcMap y analizar las propiedades del modelo. ► http://centrodedescargas.cnig.es/CentroDescargas/buscador.do ► ArcToolBox > Conversion Tools > To Raster > ASCII to Raster...

Atención a las unidades de matriz (Float / Integer). Visualizar el resultado

MDE continentales (Europa)

A través de la Agencia Europea del Medio Ambiente (EEA), es posible obtener un MDE a escala continental. A través de su sección SIG se proporciona un modelo a escala europea que se puede conseguir de manera completa o por secciones de 1000x1000 Km.

a) EU-DEM completo: distribuido en ETRS89 (22.5Gb!).


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b) EU-DEM parcial: distribución por secciones de 1000Km2. c) Otros DEM disponibles: EME (GTOPO30) y WDEM (ETOPO5).

▼

Accede a la web de la EEA y consulta los modelos disponibles a escala continental. Identifica los formatos disponibles, características de la matriz (resolución) y disponibilidad de descarga. ► http://goo.gl/PQzt9b ► Genera una tabla para caracterizar los modelos disponibles

Nombre MDE Formato datos Tipo dato Proyección Resolución

MDE globales

A través del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS) se puede acceder a su aplicación EarthExplorer, la cual permite obtener un gran volumen de información geográfica, imágenes satélite, y entre ellas MDE globales, entre los cuáles se encuentran.

a) ASTER DEM. b) GMTED2010. c) GTOPO30 d) IFSAR. e) SRTM. f) LIDAR.

▼

Accede a la web de la USGS y consulta los modelos disponibles a escala global. Identifica los formatos disponibles, características de la matriz (resolución) y disponibilidad de descarga. ► http://earthexplorer.usgs.gov/ ► Genera una tabla para caracterizar los modelos disponibles

Nombre MDE Formato datos Tipo dato Proyección Resolución


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T1.5. Uso de estructuras TIN (MDE) en análisis espacial. Volúmenes. La complejidad de la estructura de datos TIN no ha permitido un uso generalizado en los procesos de análisis espacial a través de los sistemas de información geográfica. No obstante, su uso es óptimo para el cálculo de volúmenes y el análisis de diferencias en la superficie del territorio. En el siguiente ejercicio se van a generar diferentes estructuras de datos a partir de datos TIN que permiten estudiar las diferencias experimentadas por un territorio, así como el cálculo de volúmenes.

Análisis de los datos

Se va a trabajar con datos del área específica del pantano de Sau, concretamente datos altimétricos de dos períodos distintos, antes de la construcción de la presa y la situación actual. Se deben analizar los datos origen de la práctica, identificar el tipo de superficie del que forma parte cada base cartográfica, comprobar que no existen datos erróneos, y definir la clasificación de los datos previa a la generación de los modelos digitales de elevaciones con estructura de datos TIN.

▼Recuperar el conjunto de datos de la práctica que se encuentran en K:\terreny\volumenes, y llevar a la carpeta local D:\Terreno\. ► Abrir el documento de mapa 1942-2014.mxd y analizar los datos que contiene.

► Analizar las capas de cada grupo de datos y clasificarlas de acuerdo con los tipos de superficie

necesarios para la generación del MDE con estructura TIN (primarios-auxiliares).

Vista inicial del documento de mapa

Creación de los MDE con estructura TIN

Tras el análisis, proceder a la clasificación de los datos correspondientes a cada año, clasificarlos, y a continuación crear el modelo digital de elevaciones con estructura TIN a través de las herramientas de ArcToolBox > 3D Analyst Tools.


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▼

Crear dos MDE con estructura TIN para cada período temporal de los datos. En ArcToolBox seleccionar 3D

Analyst tools > Data Management > TIN > Create TIN...

Definir los siguientes parámetros:

- Output TIN (1): 1942

- Output TIN (2): 2014

Visualizar el resultado

Visualización y comparación de ambos modelos de elevaciones TIN

Generación y cálculo de volúmenes

Las estructuras de datos TIN son adecuadas para el cálculo de volúmenes y superficies 3D, y la generación de elementos volumétricos a partir de clases de tipo Multipatch. A continuación se indican tres formas de aprovechar estas funciones. A. Generación de la base del pantano: área planimétrica 2D y área de superficie 3D.

▼

Desde ArcToolBox desplegar el menú 3D Analyst Tools > Triangulated Surface > Interpolate

Polygon to Multipatch...


- Input surface: 1942

- Input feature class: 2014/pantasau

- Output feature class: base_pantano.shp

Pulsar OK y visualizar resultados

Visualización en 3D de la nueva clase multipatch


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B. Generación del volumen de la masa de agua del pantano.

▼

Desde ArcToolBox desplegar el menú 3D Analyst Tools > Triangulated Surface > Extrude

between...


- Input TIN: 1942 / 2014

- Input feature class: 2014/pantasau

- Output feature class: masa_pantano.shp

Pulsar OK y visualizar resultados

Visualización en 3D de la nueva clase multipatch

C. Cálculo de volúmenes.

▼

Desde ArcToolBox desplegar el menú 3D Analyst Tools > Triangulated Surface > Polygon

Volume...


- Input Surface: 1942

- Input feature class: 2014/pantasau; Height field: Z;

- Reference plane: BELOW

Pulsar OK y visualizar resultados en la tabla de atributos de la clase del pantano - ¿Qué valor se obtiene como volumen? ¿Y de área de superficie? - ¿Coincide con los valores de área de superfície y volumen de las clases multipatch?

Modelos de diferencias TIN

Es posible estudiar y generar modelos de diferencias entre diferentes superficies, que permitan estudiar donde se concentran las grandes diferencias entre los modelos. Vamos a aplicarlo sobre nuestros MDE para obtener una aproximación entre la cuenca actual y la previa a la construcción del pantano.

▼

Desde ArcToolBox desplegar el menú 3D Analyst Tools > Triangulated Surface > Surface

Difference...


- Input Surface: 1942

- Reference surface: 2014;

- Output feature class: 1942-2014.shp

- Raster options >

Output raster: 42-14;

Raster cell size: 25;


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- TIN options >

Output TIN folder: Volumenes;

output TIN Base Name: 42-14;

Pulsar OK y visualizar los resultados Se generan tres posibles resultados: una clase de elementos vectorial con información codificada sobre que zonas son coincidentes, están por encima o por debajo. Genera un TIN que recoge las diferencias entre ambas estructuras, y la misma información con estructura de datos ráster.

Visualización de las diversas estructuras de diferencias entre dos superficies

- ¿Qué volumen de superficie está por encima? ¿A qué código de clase de asigna? - ¿Qué volumen de superficie está por debajo? ¿A qué código de clase de asigna? - Considerar si la aplicación de la función en sentido inverso modificará el resultado obtenido.

Documents

Taller 1. MDE: LIDAR y MDS. - ligit0.uab.esligit0.uab.es/mtig/intranet/assignatures/terreny/t1/Practicas_MDE... · of5mv50tf0f292104ss0r060.tif / of5mv50tf0f292103ss0r060.tif : ortofotos