Analisis Espacial Con Datos Raster en Spatial Analyst

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2

Autor: Francisco Jos Reyes Peralta


NDICE

1. El Modelo de Datos Raster. 2. Fuentes de origen de datos raster. 3. Breve introduccin al tratamiento y funciones de anlisis raster: Anlisis Local, Focal, Zonal y Global. 4. Almacenamiento de Raster en Geodatabase. 5. Introduccin a la Extensin Spatial Analyst para ArcGIS Desktop. 6. Especificacin de las opciones de anlisis de Spatial Analyst. 7. Obtencin del MDE mediante la herramienta 3D Analyst. 8. Obtencin de los parmetros morfomtricos derivados del MDE con Spatial Analyst. 9. Funciones de anlisis Raster con Spatial Analyst. 10. El uso de ArcToolbox y Model Builder para el anlisis espacial de datos raster. 11. Breve referencia de aplicaciones reales.

Pgina 2

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.21. El Modelo de Datos Raster. Teniendo en cuenta que un Sistema de Informacin Geogrfica almacena de forma estructurada los datos que describen un fenmeno, construyendo con ellos un modelo, que representa en el contexto teogrfico la porcin de la realidad cuya informacin se desea analizar, podemos decir que un modelo no es ms que una representacin parcial de la realidad en base a unos criterios que delimitan tanto espacial como temticamente una zona de la superficie terrestre. As los procesos y fenmenos del mundo real se representan en un sistema de informacin geogrfico mediante objetos con coordenadas de localizacin en la superficie terrestre (informacin espacial), sus caractersticas mediante atributos (informacin temtica) e incluso se pueden establecen relaciones entre dichos objetos (relaciones topolgicas). Dado que cada usuario se plantea un determinado estudio del territorio, y ms concretamente de una porcin de la realidad (Subset), debemos llevar a cabo una simplificacin de la misma, dado que no es posible representar toda la realidad de la superficie terrestre, por lo que aislaremos aquellos elementos as como sus propiedades y relaciones que son ms tiles para nuestro estudio. Aunque a veces se utilizan como sinnimos, conviene establecer una diferenciacin entre los trminos modelo de datos (la conceptualizacin del espacio) y estructura de datos (la implementacin de esa conceptualizacin en el ordenador). (Gutirrez Puebla y Michael Gould, 1993, pg. 76) En resumen dentro del campo de los Sistemas de Informacin Geogrfica, la informacin georreferenciada es susceptible de ser analizada mediante distintos modelos de datos entre los que destacan los que se muestran en la tabla siguiente: Modelo de Datos Datos CAD Grfico (no topolgico) Imagen Raster/Grid Ejemplo de aplicacin Diseo Automatizado en Ingeniera y dibujo asistido por ordenador. Mapeado simple. Procesamiento Digital de Imgenes (ADI). Anlisis Espacial y Modelado, aplicado especialmente en estudios ambientales y de recursos naturales. Operaciones basadas en geometra de vectores en Cartografa, anlisis de recursos, socio-economa, y modelado espacial, donde la exactitud prima a la velocidad de proceso. Anlisis de redes de transportes, Hidrologa y utilities. Anlisis y visualizacin del Terreno.

Vector/Georrelacional Topolgico Redes (Networks) Red Irregular Triangulada (TIN) Objetos

Suelen englobar distintos modelos (raster/vectorial/TIN) y tienen mltiples usos. Tabla 1. Modelos de datos en GIS.

Pero por qu es tan difcil saber si el fenmeno que vamos a analizar es mejor analizarlo mediante un modelo de datos raster o un modelo de datos vectorial? Es aqu donde entran en juego los lmites del fenmeno analizado, as desde un punto de vista conceptual, en general los elementos paisajsticos naturales, normalmente no presentan bordes marcados sino zonas de transicin, por lo

Pgina 3

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2que estamos ante fenmenos caracterizados por una variacin continua (superficie) en el espacio cuya mejor representacin es mediante el modelo de datos raster, mientras que los elementos que son resultado de la accin antrpica como son las divisiones administrativas, vas de comunicacin, etc. Tienen unos lmites ms marcados y una variacin discreta del fenmeno, fcilmente delimitable, por tanto se pueden representar mediante pares de coordenadas y un modelo de datos vectorial, aunque pueden haber excepciones en dicha representacin (ej. Variable continua Altitud representacin mediante curvas de nivel). Dado que vamos a abordar el estudio de los fenmenos de la superficie terrestre y su anlisis mediante el modelo de datos raster, no vamos a entrar en detalle sobre el modelo de datos vectorial y otros modelos de datos como el TIN o modelos de datos hbridos (tan slo veremos unas pinceladas del almacenamiento de datos Raster en Geodatabase). En nuestro caso vamos a centrarnos en el modelo de datos Raster pero debemos tener en cuenta que la principal diferencia entre ambos modelos de datos (raster-vector) es la forma de almacenar la informacin; en el modelo vectorial se almacena la informacin en forma de geometras (puntos, lneas, polgonos) y en el caso de los datos matriciales la informacin se almacena como valores numricos asociados a una posicin dentro de una matriz denominada pixel.

Definicin de Raster: Se trata de un Modelo de datos en el cual las entidades geogrficas son representadas usando celdas, generalmente cuadrados (aunque algunos sistemas utilizan otras figuras geomtricas como tringulos o hexgonos), ordenados conformando una grilla regular. Un raster es esencialmente como una matriz bidimensional (filas y columnas) cuyo origen se sita en el extremo superior izquierdo, al contrario de lo que ocurre con el Sistema de Coordenadas Cartesiano cuyo origen se encuentra en el punto inferior izquierdo (vase Fig. 2). Un raster puede tener una o ms bandas de informacin (entindase Fotografa Area con tres bandas una por cada color visible RGB; imgenes de Satlite multiespectrales o hiperespectrales, etc.) y la mnima entidad en la que se descompone dicho raster o grilla es el pxel que permite almacenar tres tipos de variables (X o Longitud, Y o Latitud, y Z o variable que representamos mediante dicho raster). As el modelo de datos raster se centra ms en las propiedades y variaciones de las variables en el espacio que en la representacin discreta de los elementos que lo conforman.

Fig. 1. Formato Raster a. Simple, b. Multiespectral. Todo ello conlleva un problema derivado de la falta de exactitud a la hora de delimitar los elementos representados, y la nica aproximacin que se puede llevar a cabo es mediante el aumento de la resolucin o una clasificacin del fenmeno a nivel de subpixel. Por lo que estamos ante un problema no tanto de exactitud posicional, sino de resolucin del raster.

Pgina 4

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2El ejemplo ms destacable es el del Modelo Digital del Terreno que viene a representar la variacin continua de una variable que se presenta en la superficie terrestre mediante una malla teselar con coordenadas XY y la representacin de una tercera variable de acuerdo al fenmeno analizado. Los modelos digitales del terreno son aplicables no solo a la variable elevacin, sino a cualquier otra variable que presente una variacin continua sobre el espacio (precipitaciones, presin atmosfrica, temperaturas, pendientes, etc.)

Fig. 2. Relacin entre el sistema de coordenadas raster y cartesiano. Existen diversas clasificaciones de los datos raster que tienden a diferenciarlos utilizando criterios como los que detallo a continuacin: Segn o o Segn Segn o o o o el valor del pixel. Continuos. Discretos o temticos. el nmero de bandas o variables almacenadas en el raster. el tipo de datos almacenado y la fuente de procedencia Imgenes de Satlite o Raster espectrales (incluye fotografa area). Modelos Digitales del Terreno. Raster temticos. Fotografa convencional (podra incluirse dentro del primer grupo)

A) Segn el valor del pxel: Continuos: se refiere a datos que se encuentran distribuidos de forma contina como su nombre indica en cualquier lugar de la superficie terrestre (por ejemplo: temperatura, precipitacin, altitud, presin atmosfrica, etc.) y por tanto cualquier pixel tendr un valor de dicha variable. Discretos o temticos: por otro lado tenemos los raster discretos que proceden de una esquematizacin o discretizacin del fenmeno estudiado de acuerdo a un criterio, o se trata de representaciones de fenmenos cuyos lmites quedan perfectamente establecidos (como es el caso de un raster de usos del suelo, tipologa de suelos, etc.). El proceso de discretizacin de una variable continua pasa por la agrupacin de los pxeles que componen el raster en determinadas unidades y la posterior asignacin de un valor comn a todos los pxeles que componen cada clase o intervalo, lo que se ha venido a denominar RECLASIFICACIN de un raster continuo para la obtencin del un raster discreto.

Pgina 5

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2B) Segn el nmero de bandas o variables almacenadas en el raster: A pesar de que la mayor parte de los datos raster suelen ser monobanda (una nica variable representada) como es el caso de un MDE (Modelo Digital de Elevaciones), dado que no es posible la representacin de mltiples variables en un solo raster nos vemos en la obligacin de usar los denominados raster multiespectrales que pueden tener distinta significacin segn el contexto en el que se usen. As tenemos por un lado los raster multiespectrales basados en la discriminacin de las distintas zonas del espectro electromagntico (vase Fig. 3) o los raster mltiples que pueden formar parte de una agrupacin posterior mediante la aplicacin de cualquier anlisis de Evaluacin Multicriterio, pudiendo tener una imagen raster que almacene cada una de las variables para su posterior agrupacin (lgebra de Mapas).

Fuente: http://www.lib.utexas.edu/chem/info/ems3.jpg

Fuente: The Remote Sensing Tutorial: http://www.fas.org/irp/imint/docs/rst Fig. 3. El espectro electromagntico y las imgenes multiespectrales (imgenes de satlite y fotografas areas) e hiperespectrales.

C) Segn el tipo de datos almacenado y la fuente de procedencia: Siguiendo este criterio podemos diferenciar temticamente los raster de acuerdo a la fuente de informacin utilizada as como la finalidad del anlisis (conversin vector a raster, extraccin de informacin o reconocimiento de patrones, etc.). As tenemos:

Pgina 6

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2o Imgenes de Satlite o Raster espectrales (incluye fotografa area). Se trata una de las tipologas de datos raster con mayor antigedad dentro del campo de los SIG, y su representacin se limita a la variacin de la reflectancia de la superficie terrestre como respuesta al flujo energtico proporcionado por la principal fuente energtica, el Sol, aunque tambin existen fuentes secundarias y artificiales ante las que se produce una reaccin de la superficie terrestre y que posteriormente es grabada a bordo de los sensores aerotransportados (cmaras mtricas o digitales en avin, o sensores aerotransportados a bordo de satlites). Esta recepcin de la seal no se limita a la porcin visible del espectro electromagntico, sino que tambin podemos disponer de raster que contemplan otras longitudes de onda y porciones de dicho EEM, como son el radar o las bandas trmicas. Dentro del rango del EEM de la porcin visible tenemos como ejemplo las fotografas areas y ortofotografas.

Fig. 4. Imagen de Satlite Landsat 7 ETM+. Zona del Torcal de Antequera (Mlaga) o Modelos Digitales del Terreno. Raster cuya caracterstica principal es la representacin de un fenmeno continuo sobre la superficie terrestre mediante una malla de pxeles que se componen de una componente espacial (tamao del pixel y localizacin del mismo en coordenadas XY), y componente temtica o de atributos (el valor de la variable almacenada). A partir de este tipo de datos raster podremos derivar otro tipo de informacin mediante la aplicacin de las funciones de anlisis espacial.

Fig. 5. Modelo Digital del Terreno (Representacin de un MDE) o Raster temticos. Proceden de la agrupacin temtica de los datos continuos de acuerdo a un criterio preestablecido.

Pgina 7


Fig. 6. Raster temtico con tres valores de altitud (menor de 200 metros, de 200 a 700 y ms de 700 metros) procedente de la reclasificacin del modelo digital de elevaciones de la Fig. 5.

o

Fotografa convencional (podra incluirse dentro del primer grupo). Veremos un ejemplo de este tipo de datos que puede almacenarse no como un raster georreferenciado, sino como un atributo raster en el modelo de datos de geodatabase, o como un hiperenlace en cualquier clase de entidad (Shapefile).

Fig. 7. Imagen como atributo raster en Geodatabase.

Centrndonos momentneamente en los raster multiespectrales debemos atender a la organizacin de dichos raster de acuerdo a la siguiente ilustracin, donde se introduce otro eje cartesiano derivado de la seal detectada en los pxeles de cada banda de informacin.

Pgina 8


Fig. 8. Ejes en el espacio n-dimensional de imgenes multiespectrales. As de izquierda a derecha y de arriba abajo tendramos respectivamente las columnas y filas que componen cada una de las bandas, y cada una de stas variarn en funcin del atributo representado en el eje Z que nos muestra la variabilidad temtica de un conjunto raster Multiespectral, que ira desde 1 hasta n bandas (3 en el caso de una fotografa area o fotografa convencional, hasta centenares de bandas para imgenes hiperespectrales.).

ESTRUCTURA Y CARACTERSTICAS MS SIGNIFICATIVAS DE UN RASTER Como se ha comentado un fichero raster es similar a una malla de pxeles en cuya posicin se almacena un valor (usualmente un Nivel Digital [ND] dada una codificacin especfica). Este valor suele asociarse por convencin a un color conformando la apariencia visual de dicho fichero en un ordenador, pero en ocasiones esto no es del todo cierto ya que en determinadas ocasiones un pixel no almacena un valor o caracterstica visual, sino otro elemento, a veces abstracto como puede ser la altitud o la temperatura, no perceptible visualmente (pero s su manifestacin). Generalmente el almacenamiento de dicha informacin en las computadoras se realiza recorriendo dicha malla de izquierda a derecha y de arriba abajo desde la esquina superior izquierda del raster, para posteriormente reconstruir dicha imagen el software, asignando un color de acuerdo a una paleta de colores especificada, aunque existen otros tipos de almacenamiento raster como los que se detallan a continuacin: Estructuras de Raster Simples: -Enumeracin Exhaustiva. Se trata de almacenar uno por uno el valor de cada celda, de acuerdo con una secuencia, generalmente fila a fila a partir de la celda superior izquierda. Fig. 9. -Codificacin por grupos de longitud variable (Run Length Encoding). La codificacin no se hace valor a valor, sino por grupos de valores iguales seguidos. Fig. 10. Estructuras de Raster Jerrquicas: -Arboles Cuaternarios. Una derivacin de las estructuras convencionales para ordenar y codificar datos raster es la de rboles cuaternarios (quadtrees). Se trata de operar en una misma capa raster con distintos tamaos celdas, lo que significa trabajar con una resolucin variable, algo poco frecuente. Dicha estructura es el resultado de una divisin del espacio basada en estructuras jerrquicas de 4 cuadrantes. El espacio inicial es una matriz regular de

Pgina 9

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.22x2 celdas; cada celda puede dividirse en otras 4 si el atributo vara en su dominio espacial, lo que reduce la necesidad de espacio cuando la variable es homognea. Como contrapartida se complican las operaciones de anlisis, combinacin y modificacin (rotaciones, proyecciones). Fig. 11.

Fig. 9. Codificacin Raster mediante Enumeracin Exhaustiva.Fuente: http://www.geogra.uah.es/gisweb/1modulosespanyol/IntroduccionSIG/GISModule/GIST_Raster.htm

Fig. 10. Codificacin Raster mediante Run Length.Fuente: http://www.geogra.uah.es/gisweb/1modulosespanyol/IntroduccionSIG/GISModule/GIST_Raster.htm

Fig. 11. Codificacin Raster mediante rboles Cuaternarios.

Pgina 10

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Una vez vistos algunos conceptos de almacenamiento de datos raster, veremos cules son las caractersticas ms significativas de ese formato y que nos permitirn categorizarlos y analizarlos de forma adecuada. Caractersticas significativas de un Raster: Resolucin: El pixel es el elemento ms pequeo al que un dispositivo de visualizacin puede asignarle de forma independiente un atributo como es el color. As se define la resolucin como la dimensin lineal mnima de la unidad ms pequea del espacio geogrfico para la que se recogen los datos. Cuanto menor sea el tamao de dicho pixel y por ende de la zona representada por dicho pixel, mayor es tambin el nmero de celdas que se representarn mediante dicho raster. La resolucin depender del nivel de detalle con el que se quiera representar el mundo real, teniendo en cuenta las posibilidades de anlisis y hardware/software. Orientacin: Se denomina con este vocablo al ngulo formado por el norte y la direccin definida por las columnas de la retcula o raster, siendo habitual que su valor sea 0. (Vase fichero world de georeferenciacin para imgenes raster). Zona o Clase: se trata de una agrupacin temtica de las celdas de un fichero raster de acuerdo a un criterio clasificador (por ejemplo, usos del suelo). Los software GIS nos permiten entre otras funciones realizar mediciones de variables continuas a partir de dichas zonas o clases (Vase Funciones de Anlisis Zonal mediante Spatial Analyst) tales como valores medios, mximos, mnimos, desviaciones estndares, etc. Valor: se trata del valor como su nombre indica almacenado en cada una de las celdas del raster (es decir, un nico valor por celda y capa o banda). Estos valores podrn ser nmeros enteros o reales (con cifras significativas y decimales), produciendo stos ltimos mayor consumo de recursos de hardware. Tambin es posible almacenar valores textuales pero la mayora del software codifica a valores numricos (proceso de Reclasificacin). En el mbito de los raster, se considera a la variable localizacin representada mediante X e Y de la celda, y como variable temtica Z el valor de dicho pixel sea continuo o discreto. Localizacin: como ya se ha visto la localizacin mediante la estructura teselar o raster se realiza en filas y columnas, y la topologa, a diferencia de la estructura vectorial, queda implcita a la localizacin de las celdas y sus vecinas, deducindose relaciones del tipo contigidad, proximidad, y orientacin relativa (por ejemplo conocer por el nmero de fila y columna cul est ms al Sur y cul ms al Norte). Georreferenciacin: con respecto a la localizacin de los pxeles hemos de tener en cuenta que no siempre disponemos de un raster georreferenciado por lo tanto puede disponer de coordenadas fila y columnas, sin disponer de una referencia espacial determinada (Sistema de Referencia Espacial). En algunas ocasiones para proceder a la localizacin espacial de dicho raster hemos de realizar una georreferenciacin, u Ortorectificacin si dicha localizacin conlleva la correccin del efecto del relieve, orientacin interna y externa del raster etc. (nos referimos por tanto en este caso a Fotografas Areas, pero podra georreferenciarse cualquier otro raster si disponemos de informacin de referencia). En otras ocasiones se dispone de una referenciacin basada en ficheros denominados world que contienen informacin relativa a la posicin de dicho raster en la superficie terrestre.

Respecto a ste ltimo punto de la referenciacin mediante ficheros world vamos a puntualizar como se crea un fichero world de acuerdo a una imagen area.

Pgina 11

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Un fichero world est compuesto por algunos parmetros que nos permitirn referenciar nuestra imagen respecto al espacio y con respecto a otras imgenes que se referencien usando el mismo mtodo o fruto de una georreferenciacin ms avanzada. Para referenciar dicha imagen tendremos que conocer las coordenadas XY de la celda superior-izquierda, as como el tamao del pixel en la horizontal y la vertical. Con estos datos crearemos un fichero con el Bloc de Notas o cualquier procesador de textos, que contendr los siguientes datos (uno por cada lnea). Vase Fig. 12. Lnea 1. Tamao real del pxel en el eje X. Lnea 2 y 3. Se refiere a los ngulos de giro de la imagen, que sern mientras no se especifique lo contrario 0 y -0 respectivamente. Lnea 4. Tamao real del pxel en el eje Y. Siempre ser negativo al disminuir hacia abajo. Lnea 5 y 6. Sern las coordenadas XY del primer pixel (Esquina Superior-Izquierda). En formato UTM.

Fig. 12. Ejemplo de fichero world. La denominacin y almacenamiento de dicho fichero se har siguiendo las siguientes convenciones de nomenclatura del fichero: Usar el mismo nombre de la Fotografa Area u Ortofotografas, Imagen de Satlite o fichero raster. Como extensin usaremos la misma pero agregaremos la letra w al final de la extensin y opcionalmente eliminaremos la segunda letra de la extensin original. Quedando por tanto del siguiente modo para los ficheros siguientes: o JPG = JGW. o TIF = TFW. o SID = SDW. o

Llegados a este punto en el prximo epgrafe veremos cules son los mtodos ms utilizados para la obtencin de datos raster.

Pgina 12

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.22. Fuentes de origen de datos Raster. Son mltiples las fuentes de datos susceptibles almacenarse mediante un modelo de datos raster. A continuacin mencionaremos algunas de las fuentes principales que participan en la obtencin de datos raster finales o secundarios que participarn posteriormente en la elaboracin de nuevos datos, bien sean en formato raster o vectorial. Las principales fuentes son: Imgenes escaneadas mediante escner de sobremesa o fotogramtrico. Se trata de uno de los procesos ms generalizados de conversin de informacin analgica o en papel a formato digital raster. En la mayora de los casos se trata de escneres de sobremesa que debido a su menor coste estn ms generalizados entre los usuarios domsticos, mientras que los escneres fotogramtricos se usan para escanear los fotogramas obtenidos tras el vuelo fotogramtrico obteniendo as las imgenes digitales que posteriormente se podrn utilizar para cualquier proceso relacionado con los GIS (entrada de datos, anlisis, y extraccin de informacin mediante digitalizacin, entre otros), o se aerotriangularn y georreferenciarn respecto a otros fotogramas. Estos procesos estn enmarcados en el mbito de la Fotogrametra, ciencia definida como la tcnica de captura de datos que tiene como objeto, estudiar y definir la forma, dimensin y posicin de un objeto sobre la superficie terrestre mediante fotografas de ese objeto, sin tener contacto con l y su posterior tratamiento mediante restituidores fotogramtricos y otros instrumentos como estaciones fotogramtricas digitales. Entre los datos obtenidos mediante esta tcnica tenemos Modelos Digitales de Elevaciones y Ortofotografas Areas.

Fig. 13. Escner Fotogramtrico y de sobremesa. Imgenes de Satlite o fotografa area (cmaras mtricas o digitales). La teledeteccin se considera como la ciencia que permite obtener informacin acerca de la superficie terrestre sin estar en contacto con ella. Para ello se detecta y graba la energa emitida o reflejada en sensores aerotransportados para posteriormente enviarlas a centros de tratamiento especficos para su uso final dentro de las aplicaciones GIS. Este proceso conlleva la integracin de varios elementos entre los que destacan: o o o o Fuente de Energa. Atmsfera. El objeto que interacta con dicha radiacin. El sensor (que puede ser elemento activo o pasivo).

Pgina 13

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Como resultado de dicha interaccin entre cualquier objeto de la superficie terrestre y la radiacin que lleva a stos (modificada en gran medida por la componente atmosfrica) el sensor grabar la informacin detectada y la almacenar para su posterior tratamiento y difusin mediante imgenes multiespectrales o hiperespectrales, segn el sensor utilizado. Dichas imgenes podrn ser analizadas para extraer informacin derivada mediante anlisis visual (anlisis de textura, tonos, etc.) o digital (anlisis de componentes principales, ndices de vegetacin, clasificaciones o reconocimiento de patrones, etc.) Rasterizacin de datos vectoriales. Es el proceso consiste en leer las coordenadas vectoriales que delimitan los objetos puntuales, lineales o poligonales y determinar si en cada pxel del mapa raster se sitan o no, los objetos vectoriales. Este proceso se lleva a cabo superponiendo una maya o tesela sobre los datos vectoriales.

Fig. 13. Conversin Vector a Raster.Obtencin de modelos digitales de elevaciones mediante triangulacin y posterior rasterizacin. Este proceso se basa en la obtencin de un Modelo Digital de Elevaciones siguiendo uno de los procesos ms generalizados entre los tcnicos GIS dada su facilidad de obtencin, as como la facilidad de acceso a los datos de origen (Curvas de Nivel). El proceso que se detallar ms adelante (vase epgrafe Obtencin del MDE mediante la herramienta 3D Analyst), est basado en las siguientes fases principalmente: o o o Obtencin de las curvas de nivel a una equidistancia dada de una zona concreta. Triangulacin de las Curvas de Nivel obteniendo as el TIN o Red Irregular Triangulada. Conversin del TIN a un modelo de datos Raster o Teselar.

Datos Lidar (Light Detection and Ranging). El sistema Lidar emite pulsaciones de luz que reflejan en el terreno o cualquier objeto en altura y la pulsacin de regreso se convierte de fotones a impulsos elctricos. La resolucin de los datos posicionales (x, y) puede llegar a precisiones de 1 metro en la horizontal y 15 cm en altura, y las posibilidades que brinda permiten realizar mediciones en condiciones climatolgicas y de iluminacin que no seran factibles mediante la recoleccin de fotografas areas, posibilitando tambin la obtencin de un modelo digital de Superficie incluyendo elementos ambientales y antrpicos (masas forestales, lechos fluviales, edificaciones, etc.)

Como vemos son mltiples las fuentes de datos para obtener informacin en formato raster. En los prximos epgrafes se har uso principalmente de curvas de nivel, es decir, datos en formato vectorial que se triangularn y a partir de los cuales obtendremos un Modelo Digital de Elevacin.

Pgina 14

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.23. Breve introduccin al tratamiento y funciones de anlisis raster: Anlisis Local, Focal, Zonal y Global. Los SIG nos permiten abordar mltiples funciones de anlisis sobre datos raster en base a la teselacin y ordenacin de los pxeles de los mismos, y stas en principio van a depender principalmente de un factor clave, el alcance de dicha operacin, por lo que cabra distinguir las siguientes: Funciones u Operadores Locales: en este tipo de funciones la manipulacin del raster se realiza pixel a pixel, obteniendo el resultado en funcin del valor de dicha localizacin, pudiendo tener en cuenta una o varias capas o bandas. Entre las operaciones que podemos realizar tenemos las operaciones aritmticas entre raster, operaciones de reclasificacin, superposiciones, enmscarado, etc. (lgebra de Mapas).

Fig. 14. Tipologa de Anlisis y Funciones Locales. Funciones u Operadores Focales: se denominan as o de vecindad, ya que con ellas obtendremos para cada pixel un valor en funcin de los valores almacenados en dichos pxeles y en los vecinos o aledaos al mismo. Para este tipo de anlisis usamos lo que se denomina una matriz de recorrido que puede estar compuesta por los pxeles ms prximos (operadores de vecindad inmediata), o ms alejados al pixel analizado (operadores de vecindad extendida) y el rango de la matriz ser algo que debamos determinar nosotros, aunque por defecto se suele utilizar una matriz de 3x3 pxeles. Como ejemplos de este tipo de funciones tenemos la obtencin de estadsticas respecto a los pxeles vecinos, aplicacin de filtros sobre imgenes (mediana, moda, deteccin de bordes, etc.) as como el clculo de parmetros como la pendiente, orientacin, sombreado, a partir de un MDE. Para el caso de las operaciones de vecindad extendida, tendremos en cuenta un mayor nmero de pxeles contiguos como es el caso del anlisis de visibilidad o distancia en lnea recta o de costo.

Fig. 15. Tipologa de Anlisis y Funciones Focales. Funciones u Operadores Zonales: en este tipo de operaciones el valor del pixel en una capa resultante del anlisis depender del valor del pixel en la capa de origen, as como el valor de los

Pgina 15

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2pxeles pertenecientes a la misma zona, pudiendo estar determinada dicha zona por un polgono u otro raster discreto o temtico (por ejemplo un mapa de usos del suelo). A partir de este tipo de operadores podemos obtener por ejemplo las medidas estadsticas para una zona concreta a partir de un raster con una determinada variable (pongamos el caso de la obtencin de los parmetros estadsticos media, mximo, mnimo de pendientes para un determinado uso olivar).

Fig. 16. Tipologa de Anlisis y Funciones Zonales. Funciones u Operadores Globales: por ltimo tenemos las operaciones de mbito global que tendrn en cuenta la totalidad de los pxeles de la imagen o raster, y entre stas se encuadran los mtodos de interpolacin.

Fig. 17. Tipologa de Anlisis y Funciones Globales. Adems de estos operadores existen otro tipo de anlisis que se realizan en funcin de la etapa dentro del proceso de integracin de los datos en un GIS, como son las operaciones de relocalizacin de una imagen raster en coordenadas (georreferenciacin) o las correcciones de sus niveles digitales, o la realizacin de mosaicos, que aunque bien podran incluirse dentro de las operaciones anteriores, han venido a identificarse dentro de las operaciones de pre-procesado raster. Como aclaracin debemos decir que no todos los pxeles tendrn asignado un valor, bien porque han sido modificados, bien por falta de recepcin por el equipo receptor (imgenes de satlite, Lidar, etc.), indicando que no hay medicin alguna para dicho raster.

Pgina 16

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2En los prximos epgrafes veremos algunas de las operaciones con datos raster que podemos llevar a cabo de forma cotidiana mediante la extensin Spatial Analyst para ArcGIS Desktop, mediante operadores de tipo local, focal, zonal y global, adems de mostrar algunos ejemplos ms complejos mediante el uso de ArcToolbox en combinacin con el gestor de Modelos de Geoprocesamiento, definindose ste como el conjunto de operaciones que tienen como fin, la obtencin de parmetros derivados, o la transformacin de los mismos, mediante la aplicacin de un conjunto de funciones de procesamiento espacial, donde intervienen tres parmetros principalmente como veremos en los modelos de geoprocesamiento: una entrada, una funcin de geoproceso y una salida (bien sea una capa derivada o la misma pero transformada).

Pgina 17

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.24. Almacenamiento de Raster en Geodatabase. El nuevo modelo de datos incorporado por ArcGIS Desktop, la Geodatabase, nos permite integrar distintos tipos de datos y de muy diversa procedencia en su interior. Entre estos datos se puede incorporar informacin vectorial, informacin raster gestionada o no gestionada, informacin topogrfica, anotaciones, y tablas, adems de los Terrain (incorporados en la versin 9.2 a dicha arquitectura). De todos estos los ms utilizados son los datos vectoriales y raster, adems de los datos tabulares, pero en nuestro caso nos centraremos en el almacenamiento raster en Geodatabase y sus beneficios y posibilidades. Como se ha comentado una imagen o un fichero en formato raster est conformado por un conjunto de celdas organizados en filas y columnas cuyo origen se encuentra en la esquina superior izquierda y para su anlisis se recorren de izquierda a derecha y de arriba abajo, tal y como se muestra en la figura siguiente. Vase Fig. 18.

Fig. 18. Recorrido de un raster.

Este tipo de datos se puede almacenar en varias modalidades dentro de una geodatabase lo cual redunda en mltiples beneficios asociados al mtodo de almacenamiento. Entre los beneficios que podemos encontrar del uso y almacenamiento de datos raster en geodatabase tenemos: Uso de raster tanto a nivel de geodatabase personal como multiusuario, cada una con sus particularidades en cuanto a gestin. Mantenimiento de grandes volmenes de datos. Posibilidad de uso de datasets individuales o en mosaico, o catlogos de datos raster. Rpido despliegue de datos raster dada la posibilidad de crear pirmides (mtodo de compresin visual de datos raster) en nuestros raster. Posibilidad de extraccin de forma sencilla de otros datos a partir de dichos raster. Posibilidad de compresin con/sin prdida. Etc.

A veces no resulta tan obvio saber el modo de almacenar, organizar y analizar los datos raster en una base de datos geogrfica, es por ello que daremos un breve repaso a los tipos de organizacin y almacenamiento de datos raster en geodatabase y veremos algunos ejemplos y su organizacin.

Pgina 18


Los tres tipos de almacenamiento raster en geodatabase incluyen: Raster Datasets (Conjunto de Datos Raster): se denomina raster Dataset o conjunto de datos raster a cualquier formato raster vlido organizado en una o ms bandas, siendo cada banda un Array o matriz de pxeles (celdas) donde cada uno de stos dispone de un valor asociado a la temtica representada por dicho raster. Independientemente del nmero de bandas, un raster Dataset puede anexarse horizontalmente a modo de mosaico o permanecer individualmente. Raster Catalog (Catlogos Raster): se denomina como catlogo raster a la coleccin de raster datasets en una tabla dentro de la geodatabase en la que cada registro representa un Dataset raster individual, y aunque en la mayora de los casos se usa para almacenar raster individuales (uno por registro) dentro de un mosaico (imgenes contiguas con una zona de solape), aunque es posible almacenar tambin distintas imgenes de una misma zona pero de periodos temporales distintos, as como otro tipo de imgenes. Dentro de dicho catlogo raster cada imagen tendr su propio sistema de referencia espacial, y dichos raster datasets podrn ser almacenados de dos formas distintas dentro de una Geodatabase: Raster Gestionado por la Geodatabase: convirtiendo las imgenes en formato Erdas Imagine (IMG) y almacenndolas directamente en una carpeta al mismo nivel que la geodatabase. Como beneficio tenemos la gestin centralizada por la geodatabase, pero como contrapartida tenemos el aumento del peso de nuestra geodatabase sobre todo cuando de reas extensas se trata. Raster No Gestionado por la Geodatabase: no se convierten las imgenes a un formato nativo como es ERDAS Imagine (IMG) sino que se mantienen en la ubicacin y con el formato original, y slo se almacena en una tabla (campo NAME) de la geodatabase las referencias a la ubicacin de cada raster Dataset. Adems de la incorporacin de todos los raster en el catlogo nos permite ver las imgenes o un ndice vectorial cuya finalidad es la posibilidad de que podamos cargar slo las imgenes que necesitemos a una escala dada, o que podamos realizar selecciones temticas y espaciales dentro de ese ndice vectorial como si de entidades vectoriales se tratase. Atributos Raster: los atributos raster se almacenan en la geodatabase a modo de enlace entre un campo de tipo Raster en una Feature Class y la imagen almacenada internamente en dicha geodatabase. Es similar al hiperenlace en Shapefile pero en el que la referencia es interna y no se almacena el enlace a una imagen externa a la geodatabase. A continuacin veremos brevemente los pasos para crear cada uno de estos almacenes de datos raster. A la hora de saber qu tipo de modalidad de almacenamiento seleccionar debemos tener en cuenta los siguientes aspectos: Si slo se va a hacer uso de un raster Dataset deberemos almacenarlo como tal, no dentro de un catlogo raster. Si queremos trabajar con un mosaico raster y no necesitamos disponer de las zonas de solape podemos optar por un raster Dataset a modo de mosaico. Si nuestra necesidad es disponer de un mosaico raster pero necesitamos conservar las zonas de solape individual optaremos por un catlogo raster. Si queremos disponer de un conjunto de raster datasets organizados temporalmente (por fechas de captura) pero referidos a una misma zona usaremos un catlogo raster. Si necesitamos disponer de un conjunto de imgenes contiguas pero no es necesario cargar todas la imgenes al mismo tiempo podemos usar un catlogo raster, ya que

Pgina 19

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2este formato nos permite disponer de una malla vectorial organizativa de los datasets que usa los lmites de dichos raster datasets para mostrarlos en ArcCatalog y ArcMap, teniendo en cuenta una escala o nmero de raster datasets que sern necesarios para que comiencen a visualizarse en tiempo de edicin (ArcMap). Si necesitamos almacenar mltiples atributos raster para su posterior uso como atributos dentro de un campo de una Feature Class podremos usar un catlogo raster para mantenerlos.

-

Para ver como se almacenan y crean los raster datasets, catlogos y atributos raster en geodatabase vamos a crear un fichero de este tipo (Geodatabase Personal en nuestro caso). Los pasos a seguir son: Pulsar botn derecho del ratn sobre la carpeta de destino New Personal Geodatabase

Fig. 19. Creacin de una geodatabase personal. Una vez disponemos de nuestra geodatabase procedemos a renombrarla como creamos conveniente, en nuestro caso hemos usado Almacenamiento Raster.mdb.

Creacin de un Raster Dataset. Para crear un raster Dataset tenemos distintas opciones: Desde ArcCatalog. Botn derecho sobre la geodatabase New Raster Dataset.

Fig. 20. Creacin de un Raster Dataset desde ArcCatalog.

Desde ArcToolbox. Data Management Tools Raster Create Raster Dataset.

Pgina 20


Fig. 21. Creacin de un Raster Dataset desde ArcToolbox.

Desde la Lnea de Comandos. Basta con teclear createrasterdataset y proseguir rellenando los datos solicitados. Bastar con especificar en el cuadro de dilogo los siguientes parmetros: Output Location (Localizacin del raster Dataset). Por defecto la geodatabase sobre la que se ha pulsado botn derecho. Raster Dataset Name with Extension (Nombre del Raster Dataset con extension). Aqu especificaremos el nombre del raster Dataset y las extensiones disponibles son (img, tif, bmp, jpg, etc.). Cellsize (Opcional). Es el tamao de celda que tendr nuestro raster Dataset. Pixel Type (tipo de datos soportado por el pixel). Aqu especificaremos dentro de los estndares de almacenamiento de datos raster el tipo de valor que podremos almacenar. Spatial Reference for Raster (Optional). Sistema de Referencia Espacial de nuestro raster dataset. Number of Bands (Nmero de Bandas). Nmero de bandas que compondrn el raster (1 a n). Adems de estos parmetros existen otros parmetros de configuracin del raster datasets que no se suelen especificar, salvo casos excepcionales, y que pueden consultarse en la documentacin incluida con ArcGIS Desktop.

Pgina 21

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Este proceso nos permitir crear una grilla que podr contener posteriormente un conjunto de datos raster con datos vlidos, ya que en principio no hemos asignado ningn valor a dichas celdas.

Para importar raster datasets en Geodatabase tenemos las siguientes opciones: Desde ArcCatalog. Botn derecho del ratn sobre la geodatabase Import Raster Datasets / Raster Datasets (Mosaico)

Fig. 22. Importacin de Raster Datasets individuales o a modo de mosaico en ArcCatalog Desde ArcToolbox: Conversion To Geodatabase Raster to Geodatabase (Multiple)

Fig. 23. Importacin de Raster Dataset mltiples a Geodatabase o Raster Catalog. Desde la Lnea de Comandos: introduciendo la sentencia rastertogeodatabase e introduciendo el resto de parmetros.

Pgina 22

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Bastar con especificar en el cuadro de dilogo los siguientes parmetros: Input Rasters: Aqu iremos cargando los rasters datasets consecutivos. Output Geodatabase: aqu dejaremos por defecto el lugar donde se van a cargar los datos raster. Geodatabase o Raster Catalog. El resto de parmetros podemos dejarlo por defecto. Creacin de un Raster Catalog. Para crear un Catlogo Raster tenemos distintas opciones: Desde ArcCatalog. Botn derecho sobre la geodatabase New Raster Catalog.

Fig. 24. Generacin de un Catlogo Raster desde ArcCatalog. Desde ArcToolbox. Data Management Tools Raster Create Raster Catalog.

Fig. 25. Generacin de un Catlogo Raster desde ArcToolbox.

Pgina 23

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Desde la Lnea de Comandos. Introduciendo la sentencia createrastercatalog. Bastar con especificar en el cuadro de dilogo los siguientes parmetros: Output Location (Localizacin de salida): Geodatabase donde se situar nuestro catlogo raster. Template Raster Catalog (Optional): aqu podremos especificar una plantilla de catlogo raster existente y podremos gestionar los campos que contendr. Input Raster Catalog Name (Nombre de entrada del Catlogo Raster): nombre de salida del catlogo raster. Coordinate System for Raster Column (Optional): usado como sistema de referencia especial para datasets que no estn proyectados. El valor por defecto ser el especificado en las variables del ambiente de geoprocesamiento de la herramienta. Coordinate System for Geometry Column (Optional): este parmetro define el sistema de referencia especial utilizado por el ndice vectorial o footprints. Configuration Keywords, Output Spatial Grid 1, 2, 3 (Optionals): Se refiere a parmetros de configuracin del ndice especial de referencia para el catlogo raster. Su uso est ms centrado en geodatabase corporativa. Raster Management Type (Tipo de Gestin del Raster en el Catlogo): aqu especificaremos si gestionaremos de forma interna en la geodatabase los raster datasets incluidos en el catlogo, o se har mediante una referencia externa (no gestionados). Una vez creado el Catlogo Raster bastar con agregar los rasters mediante botn derecho del ratn sobre el Catlogo Raster Load ... y ah especificaremos los raster datasets que debamos importar. En la siguiente ilustracin podemos ver un ejemplo de catlogo raster:

Fig. 26. Ejemplo de catlogo raster a modo de mosaico con ArcCatalog.

Pgina 24

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Creacin de Atributos Raster. Para crear un Atributo Raster debemos proceder del siguiente modo: En una Feature Class creada de antemano vamos a agregar un campo de tipo Raster, pulsando botn derecho del ratn sobre la Feature Class Propiedades Fields. Ah agregaremos el campo y especificaremos como tipo de datos Raster. (Vase Fig. 26).

Fig. 27. Creacin de un campo de tipo Raster en una Feature Class mediante ArcCatalog. Seguidamente vamos a ArcMap y en modo edicin pulsamos el botn Atributos y en el campo que hemos agregado pulsaremos el botn izquierdo del ratn y seleccionaremos mediante las opciones que se muestran en la Fig. 27 la imagen a cargar como atributo.

Fig. 28. Adicin de una foto como atributo raster. Adems de este conjunto de operaciones disponemos de otro tipo de operaciones de mantenimiento de datos raster como son los cambios de resolucin (Data Management Tools Raster Resample), elaboracin de mosaicos propiamente dichos (Data Management Tools Raster Mosaic to New Raster/Mosaic) que debido a la extensin que conllevara comentar todas las operaciones sobrepasara la extensin de esta gua. En futuras versiones se incluirn dichas operaciones.

Pgina 25

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.25. Introduccin a la Extensin Spatial Analyst para ArcGIS Desktop. Aunque ArcGIS Desktop puede visualizar datos raster, y operar con ellos de forma bsica permitiendo su gestin e integracin dentro de un GIS, no podremos realizar funciones de geoprocesamiento sobre dichos raster si no disponemos de la extensin Spatial Analyst para ArcGIS. Como hemos comentado la forma de realizar operaciones como las que se comentaron en el captulo 3 de esta gua debemos disponer de una licencia de dicha extensin. Esta extensin nos provee de algoritmos para el anlisis de datos raster y su funcionalidad se puede englobar en los siguientes grupos: Mediciones de distancia tanto en lnea recta (euclidiana) como ponderada por el coste. Obtencin de mapas de densidad, a partir de datos puntuales o lineales. Interpolacin a raster a partir de muestras, utilizando mtodos tanto determinsticos como geoestadsticos. Extraccin de parmetros morfomtricos a partir de un Modelo Digital del Terreno. Operaciones de reclasificacin y conversiones entre Raster y Vectorial en ambos sentidos. Anlisis Hidrolgicos y otros anlisis aplicados.

Adems de las herramientas incorporadas en la propia barra de herramientas de Spatial Analyst, se incorporan a las herramientas de ArcToolbox, numerosas funciones de anlisis entre las que destacan, operadores aritmticos, operadores booleanos, anlisis hidrolgicos, y un largo etctera. Operables desde cualquiera de los componentes del entorno de geoprocesamiento de ArcGIS Desktop tales como las propias herramientas de ArcToolbox, Model Builder o la Lnea de Comandos.

Operadores de Distancia (Operadores Focales) Operadores de obtencin de Densidades (Operadores Focales) Operadores de Interpolacin de Superficies (Operadores Globales) Operadores de Obtencin de Superficies (Operadores Focales) Estadsticas de Celdas (Operadores Locales) Resmenes Estadsticos de Pxeles Vecinos (Operadores Focales) Estadsticas Zonales (Operadores Zonales) Reclasificacin (Operadores Locales) Calculadora Raster Conversiones (Raster a Vector Vector a Raster) Opciones (Configuracin de las herramientas de Spatial Analyst)Fig. 29. Barra de Herramientas de Spatial Analyst para ArcGIS Desktop y agrupacin de funciones de Anlisis Espacial de acuerdo a la clasificacin del captulo 3.

Pgina 26

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2A pesar de que gran parte de los usuarios utilizan las herramientas ms visuales, uno de los elementos de mayor potencia es el gestor de modelos de geoprocesamiento (disponible no slo con Spatial Analyst, sino con todo el entorno ArcGIS) y la calculadora raster que incorpora dicha extensin. Con respecto a la calculadora raster (vase Fig. 30) podemos decir que se trata de una potente herramienta de anlisis que nos provee de una funcionalidad que va desde operadores y funciones bsicos (operadores aritmticos), hasta operadores ms avanzados como son operadores booleanos o logartmicos, pasando por un amplio rango de funciones predefinidas (anlisis de distancia, mosaicos, cambios de resolucin, sustitucin de celdas, etc.) La dicha herramienta est basada en las operaciones de lgebra de mapas, definidas como las operaciones algebraicas que se realizan sobre capas de tipo raster aplicables no solo a cada pixel dentro de la capa raster sino tambin a los pxeles vecinos o a todo el conjunto de pxeles. En la siguiente ilustracin podemos observar la Calculadora Raster que se divide principalmente en las siguientes partes: 1. Zona de seleccin de capas raster. 2. Zona de Seleccin de operadores 3. Zona de escritura de la operacin o conjunto de operaciones de lgebra de mapas.

1 2

3

Fig. 30. Calculadora Raster de ArcGIS Spatial Analyst. La mayor parte de las operaciones que se realizan son aritmticas como la suma de un raster con otro, la extraccin de pxeles de un raster basado en un criterio especfico, la comparacin de un raster con otro, etc. En las siguientes lneas se puede ver algunos ejemplos de la funcionalidad de dicha herramienta: [Raster] + 25 [Raster1] / [Raster2] Int ([Raster]) Sqrt ([Raster])Resultado: Adiciona 25 unidades a los pxeles del raster de entrada. Resultado: Divide los pxeles de un raster respecto al otro cada pxel con su respectivo en la otra capa. Resultado: Convierte a valores enteros los pxeles de un raster cuyos datos son almacenados mediante datos de tipo Float. Resultado: obtiene un raster donde los valores son la raz cuadrada del raster de entrada.

Pgina 27

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2RasterSalida = [Raster1] > 250 AND [Raster2] >= 30Resultado: aplicada por ejemplo con un raster 1 = a un MDE y un raster 2 = a un mapa de pendientes podramos obtener un RasterSalida (nombre de la capa que se mostrar en la tabla de contenidos), cuyos pxeles cumplan ambas condiciones, que la altitud sea superior a los 250 metros, y la pendiente sea superior o igual a los 30 grados o tanto por ciento dependiendo de las unidades del raster de pendientes.

Como hemos comentado adems de estas funciones aritmtico-lgicas y otras ms avanzadas (logartmicas, exponenciales, trigonomtricas o booleanas) tenemos otras funciones predeterminadas para clculos ms especficos, entre las que se encuentran algunos de los ejemplos que detallo a continuacin (para ms informacin acerca de las herramientas disponibles Consultar la Documentacin de Ayuda de ArcGIS Desktop en Extensions Spatial Analyst Spatial Analyst Funtional Reference): Mosaic ([Raster1], [Raster2], [Raster3] [RasterN])Resultado: obtenemos un mosaico con todas los raster de entrada a partir de una zona de solape.

Slope([Raster],{DEGREE | PERCENTRISE}) o Slope ([Raster], , {DEGREE | PERCENTRISE})Resultado: obtenemos un raster de pendiente a partir de un modelo digital del terreno (frecuentemente un MDE).

Aspect ([Raster])Resultado: obtenemos un raster de orientacin de la pendiente a partir de un modelo digital del terreno (frecuentemente un MDE).

Como vemos la mayora no son complicadas pero determinadas funciones pueden requerir de distintos parmetros que permiten personalizar el resultado obtenido como por ejemplo la siguiente operacin: Operador Mxima Probabilidad o verosimilitud (Maximum Likelihood Classifier) Funcin genrica: MLClassify(, , {a_priori_file}, {o_reject_grid}) {reject_fraction}, {EQUAL | SAMPLES | FILE},

Aplicacin: mlclassify (redlands, redl8, #, file, weights_file, reject2_grd ) Donde los parmetros especificados nos permiten personalizar la obtencin de una clasificacin supervisada por el mtodo de mxima verosimilitud, algoritmo ampliamente utilizado en Teledeteccin, y donde como vemos algunos argumentos que no queramos especificar al ser opcionales nos aparecern con el smbolo # (en este caso el parmetro {reject_fraction} o la porcin de la celda que permanecer sin asignarse a una clase debido a una probabilidad baja de asignacin correcta. Para introducir estos datos basta con seleccionar el raster u operando mediante doble clic en la zona 1, y seleccionar los operadores en la zona 2 pulsando un simple clic sobre el operador a utilizar, pudiendo combinarse de forma correcta hasta completar la funcin o algoritmo de anlisis deseado, con la posibilidad que nos brinda de realizar varios anlisis en una simple funcin combinada en la zona 3.

Pgina 28

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.26. Especificacin de las opciones de anlisis de Spatial Analyst. Llegados a este punto lo primero que deberamos hacer antes de usar nuestra herramienta Spatial Analyst es configurar las opciones de trabajo de la extensin. Para ello iremos a Spatial Analyst Options. (Vanse Fig. 31 a 33) Como podemos observar las opciones de configuracin atienden a la forma en que operarn las funciones ejecutadas desde Spatial Analyst en el entorno de ArcGIS. As tenemos una pestaa denominada General que engloba las opciones de configuracin referidas al entorno de ejecucin (Directorio de Trabajo), si usaremos una mscara de anlisis, y el Sistema de Referencia Espacial; por otro lado tenemos la pestaa Extent (Extensin) donde el nico parmetro que especificaremos es el mbito de nuestro anlisis; por ltimo tenemos una pestaa denominada Cell Size (Tamao de celda o pixel), donde especificamos el tamao de las unidades mnimas de nuestro raster y por ende el nmero de filas y columnas de nuestro raster de salida. Ficha General: aqu como comentamos especificamos los siguientes elementos: Working Directory (Directorio de Trabajo): por defecto la carpeta temporal de nuestro PC. Analysis Mask (Mscara de Anlisis): por defecto no usa ninguna, pero podemos especificar o una capa de nuestra Tabla de Contenidos (TOC), o cualquier otra capa en disco. Analysis Coordinate System: aqu especificaremos la referencia espacial del raster de salida que puede ser almacenada como el mismo sistema de referencia espacial que los ficheros de entrada (o el primer raster de todos los que se usen como entrada); o bien con el sistema de referencia espacial de nuestro Data Frame. En caso de que queramos mostrar un mensaje cuando nuestros raster tengan que ser proyectados durante la ejecucin de cualquier anlisis podremos especificarlo mediante una casilla de verificacin (por defecto con el valor de comprobacin).

Fig. 31. Opciones de Configuracin de Spatial Analyst Pestaa General. Ficha Extent: en esta ficha slo tendremos que especificar los lmites de anlisis de nuestro trabajo con Spatial Analyst mediante la especificacin del parmetro siguiente:

Pgina 29

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Analysis Extent (Extensin de Anlisis): que puede tomar los siguientes valores: Same as Display: tomando como rea de anlisis la zona de visualizacin actual. Intersection of Inputs: el rea mnima comn de todos los raster de entrada. Union of Inputs: rea abarcada por la combinacin o unin de todos los raster de entrada. As Specified Below: donde especificaremos los lmites superior, inferior, este y oeste de nuestros datos en el sistema de coordenadas en que tengamos nuestros datos.

Fig. 32. Opciones de Configuracin de Spatial Analyst Pestaa Extent.

Ficha Cell Size: por ltimo, esta pestaa nos permitir especificar el tamao de celda de salida de nuestro anlisis raster, pudiendo especificar algunas de las siguientes opciones dentro del parmetro siguiente: Analysis Cell Size (tamao de celda o pixel de anlisis) donde podemos seleccionar: Maximum of Inputs: el valor de tamao de pixel ms grande usado por los raster de entrada. Minimum of Inputs: el valor de tamao de pixel ms pequeo usado por los raster de entrada. Same as Below: usaremos un tamao de pixel que especificaremos en la casilla Cell Size. Por tanto, con estos parmetros tambin se actualizarn los valores del nmero de filas y columnas del raster de salida.

Pgina 30


Fig. 33. Opciones de Configuracin de Spatial Analyst Pestaa Cell Size. Una vez especificados estos parmetros estaremos en condiciones de usar esta extensin para cualquier anlisis raster, pero antes de comenzar y ya que la capa que obtendremos en el prximo epgrafe ser usada para proyectos posteriores, debemos hacer uso de otra extensin disponible con ArcGIS Desktop (disponible mediante adquisicin de licencia aparte) denominada 3D Analyst que nos va a permitir, entre otras cosas, derivar a partir de una capa vectorial de curvas de nivel y puntos acotados un TIN y posteriormente una superficie de altitudes, conocida normalmente como Modelo Digital de Elevaciones (MDE) un subtipo de los Modelos Digitales del Terreno (MDT).

Pgina 31

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.27. Obtencin del MDE mediante la herramienta 3D Analyst. Como se ha comentado anteriormente para la obtencin del MDE vamos a utilizar la extensin 3D Analyst, aunque no es la nica forma de obtener dicho modelo, ya que en Spatial Analyst disponemos de algunas herramientas de interpolacin que nos permitiran obtener dicho modelo digital a travs de puntos de cota. Es por ello que vamos a comenzar describiendo brevemente los pasos que se han de llevar a cabo para obtener el MDE y posteriormente comentaremos algunas de las aplicaciones ms usuales: Los pasos para la obtencin de un MDE son los siguientes: Generacin de las Curvas de Nivel (en caso de no disponer de stas), digitalizndolas a partir de un mapa topogrfico y asignndoles un campo con los valores de altitud. Para ello podramos hacer uso de la Extensin ArcScan de ArcGIS Desktop. Una vez disponemos de las curvas de nivel procedemos a generar el TIN o Red Irregular Triangulada (mediante uno de los algoritmos de triangulacin ms conocidos denominado Triangulacin de Delaunay), que se define como un modelo teselar basado en tringulos conformados por vrtices o nodos que nos permite densificar la informacin en reas complejas, y dispersarla en zonas ms homogneas. Un TIN incluye relaciones topolgicas entre los puntos y los tringulos contiguos. Cada punto tiene su coordenadas XY y un valor de Z, que en el caso del MDE son las altitudes. Estos puntos estn conectados por nodos conformando un conjunto de tringulos no superpuestos usados para representar una superficie. Tras este paso generaremos nuestro MDE en formato teselar convirtiendo el TIN en raster usando las herramientas de conversin de Spatial Analyst.

-

Pasemos a la descripcin detallada de los pasos que debemos llevar a cabo para realizar nuestro MDE en formato raster. Generacin de las Curvas de Nivel. Aqu slo mencionar que podemos digitalizarlas mediante digitalizacin manual o asistida mediante ArcScan. Triangulacin (TIN): para realizar la triangulacin usaremos el mdulo 3D Analyst a travs de las funciones de triangulacin localizadas en el men de la barra de herramientas 3D Analyst Create/Modify Tin Create Tin from Features.

Fig. 34. Herramienta para triangular a partir de datos vectoriales (puntuales, lineales y poligonales) Una vez seleccionada dicha herramienta nos solicitar los siguientes datos (vase Fig. 35): Layers (Capas): son las capas de entrada, bien disponibles en la Tabla de Contenidos, o seleccionables dentro de una unidad de disco o red. Una vez seleccionadas podremos especificar los parmetros de configuracin para cada una de stas. Settings for Selected layer (Parmetros de configuracin para la capa seleccionada): donde especificaremos para cada capa, dependiendo de la funcin que tenga dentro del

Pgina 32

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2proceso, y del tipo de entidad con el que se reprsentan (puntos, lneas o polgonos). Estos parmetros son: o Height Source: aqu especificaremos el campo que contiene las cotas o recurso de altitudes. Si nuestras entidades son Entidades 3D (3D Features) usaremos el campo Shape para especificar la altura. Triangulate As: aqu podemos seleccionar el mtodo de triangulacin de cada layer, bien sea mediante lnea de ruptura suave o abrupta segn la naturaleza de los datos (por ejemplo usaremos soft line para lneas de ruptura suaves como las propias curvas de nivel, donde no hay un punto de ruptura claro y definido, mientras que si nuestros datos a triangular contienen zonas donde se produce un cambio del gradiente de la variable estudiada, como sera el caso de un ro o una va de comunicacin, optaramos por usar hard line. Dejaremos la opcin mass point para los puntos de cota en caso de que dispongamos de stos. Con respecto a los puntos de cota es bueno disponer de ellos ya que permiten estructurar mejor las cimas de las elevaciones para que no queden planas. Para el caso de los polgonos (bien sea el que circunscribe a la zona de estudio, o bien otros elementos como lagunas, etc.) tenemos otro tipo de triangulacin como son (soft clip, hard erase, soft erase, hard replace, soft replace, hard value fill, soft value fill) donde cada uno de stos se refiere respectivamente al grado de recorte, borrado, reemplazo o relleno del TIN de un modo suavizado o abrupto por parte de dichos polgonos, usado sobre todo para relleno o colmatacin de lagunas, zonas de excavacin, etc. Tag Value Field: por ltimo tenemos este parmetro que nos permitir especificar el valor que incluirn los nodos para su identificacin. Este parmetro se suele dejar con los valores por defecto . Output TIN: nombre de salida del TIN.

o

o

o

Fig. 35. Datos solicitados para la Triangulacin. El TIN obtenido se puede observar en la siguiente ilustracin como quedara aproximadamente:

Pgina 33


Fig. 36. Obtencin del TIN tras introducir los datos solicitados por la herramienta Create Tin from Features. De fondo podemos observar las curvas de nivel de las que procede. Rasterizacin del TIN (MDE): una vez obtenido el TIN, pasaremos a calcular la superficie continua referida a los valores de altitud del territorio analizado. Para ello usaremos las herramientas de conversin tridimensional, disponibles en 3D Analyst Convert Tin to Raster. Donde especificaremos los siguientes parmetros: Input TIN (TIN de entrada): aqu especificaremos el TIN obtenido en el paso anterior. Attribute (Atributo): aqu especificamos el valor de los atributos que contendr el MDE en formato raster (cada pixel tendr un valor dependiendo de esta seleccin), que puede ir desde valores de elevacin, hasta orientaciones, pasando por valores de pendiente (en grados o porcentaje) del TIN. Z Factor: es un factor de exageracin del relieve usado para zonas donde no es posible discriminar de forma adecuada las diferencias altitudinales y morfogrficas. Por defecto se deja 1,0 ya que sera como dejar el valor de cada pixel como est (ya sabemos un valor multiplicado por 1,0 queda igual). Cell Size (Tamao de Celda): por defecto el programa introduce un valor que en muchas ocasiones hay que modificar. En mi caso he seleccionado 10 metros pero ya depender de vuestras necesidades, y de los datos de entrada. Existen cierta discrepancia en cuanto a la tcnica o metodologa para la seleccin de un tamao de pixel de acuerdo a numerosos elementos como son la equidistancia, la escala de nuestro mapa, etc. pero como primera aproximacin podramos usar o bien la equidistancia, o bien usar mtodos para extraer la mnima distancia entre los vrtices que conforman las curvas de nivel, un proceso algo tedioso pero que suele dar buenos resultados. Nunca debemos usar una resolucin demasiado grosera ya que estaramos obviando informacin, ni usar una resolucin demasiado detallada que no aumente el detalle de nuestros datos ya que tendramos la misma informacin repetida en numerosos pxeles. Al asignar este parmetro automticamente se actualizarn los valores de las filas y columnas del raster de salida,

-

-

Pgina 34

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2mediante la relacin entre dicha magnitud (tamao del pixel) y las coordenadas en metros UTM XY especificadas en las opciones de configuracin de 3D Analyst que son las mismas que para el caso de Spatial Analyst. Output raster (Raster de Salida): referido al nombre del fichero que contendr el MDE en formato ESRI Grid, aunque exportable a cualquier otro formato raster posteriormente. Dicho fichero deber seguir las normas de nomenclatura de los ficheros ESRI Grid como son: no comenzar por un valor numrico, no contener ms de 11 caracteres y no disponer de espacios en su nombre.

Fig. 37. Herramienta de Conversin TIN a Raster y parmetros de configuracin.

El resultado puede apreciarse a continuacin:

Fig. 38. MDE obtenido mediante Triangulacin y posterior conversin a raster.

Pgina 35

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Si se prefiere el MDE puede realizarse con todas las curvas de nivel y elementos de referencia, u optar por el mtodo elegido aqu, el recorte en el TIN de base para extraer el MDE recortado. Si lo que queremos es recortar el MDE final podemos proceder usando la herramienta de Spatial Analyst disponible en el ArcToolbox Spatial Analyst Tools Extraction Extract By Mask, donde especificaremos el MDE o raster de entrada, la mscara de recorte (el polgono o raster que delimitar la zona) y el fichero de salida. Como cabe esperar el MDE obtenido ser fuente principal de informacin para casi todos los estudios que conlleven un anlisis del medio fsico de la zona de estudio, tales como anlisis hidrolgicos, estudios de inundabilidad, anlisis de distribucin de especies, relacionado con la compartimentacin altitudinal del territorio, as como estudios de riesgos (por ejemplo, estudios de riesgos relacionados con la morfodinmica de laderas).

Pgina 36

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.28. Obtencin de los parmetros morfomtricos derivados del MDE con Spatial Analyst. Una vez obtenido el Modelo Digital de Elevaciones vamos a proseguir con la obtencin de los parmetros derivados de la morfografa del relieve. Aunque debemos mencionar que no siempre que se usen estas funciones de anlisis superficial deben estar relacionados con la variable altura, sino que podremos usar cualquier modelo digital del terreno que contenga una representacin de una variable de variacin continua en el territorio, como puede ser la temperatura, precipitacin, presin atmosfrica, etc. Obteniendo as parmetros derivados como el gradiente trmico, pluviomtrico, o de presiones, entre otros parmetros (caso de la aplicacin de la pendiente o Slope). Para la obtencin de dichos parmetros no es necesario seguir una rutina especfica, ya que no todos los parmetros son necesarios en un proyecto y muchos de stos se pueden combinar para un anlisis multicriterio, permitindonos obtener entre otros elementos UNIDADES AMBIENTALES que de otra forma sera ms complicado obtener. A continuacin detallar los pasos para obtener cada una de las variables o parmetros que posteriormente sern de uso comn por todos en nuestros anlisis del medio fsico, entre otros. Contornos o Curvas de Nivel (Contour): se refiere a lneas imaginarias que unen puntos de igual altitud (o cualquier otra variable) en base al valor de los pxeles del raster inicial. Este sera un proceso inverso al antes comentado de extraccin del MDE a partir de las curvas de nivel mediante Triangulacin, pero en este caso no es necesario dar ese paso intermedio, sino que basta con especificar los siguientes parmetros en la herramienta Spatial Analyst Surface Analysis Contour:

Fig. 39. Herramienta para la obtencin de contornos o Isolneas y cuadro de dilogo donde especificaremos los parmetros. Parmetros para la obtencin de los contornos: Input Surface (Raster o superficie de entrada): nuestro MDE inicial.

Pgina 37

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Contour Definition (Definicin de los Contornos a generar): aqu especificaremos los parmetros que conformarn los contornos finales: o Contour Interval (Intervalo o equidistancia): aqu asignaremos la equidistancia que queremos que tenga nuestro Feature Class o Shapefile con las curvas de nivel o isolneas de altitud o cualquier otra variable. o Base Contour (Contorno o isolnea de base): ser el valor inicial a partir del cual comenzaremos a crear isolneas. o Z Factor: se refiere al factor de exageracin usado para generar las isolneas, por defecto tiene un valor 1.0.

En base a estos parmetros nuestra capa de isolneas se configurara segn los parmetros establecidos en la parte inferior de dicho cuadro de dilogo. El resultado sera similar al de las curvas de nivel. Pendiente (Slope): la pendiente se considera como la ratio mxima de cambio del valor de Z a travs de una celda y sus contiguas. Para ello se hace uso de un filtro o Kernel que va recorriendo el raster para obtener el valor de pendiente del pixel respecto a sus vecinos (usando un filtro de 3x3 pxeles por defecto). Dicha herramienta se encuentra en Spatial Analyst Surface Analysis Slope.

Fig. 40. Localizacin de la funcin Slope (Pendiente) en la barra de herramientas Spatial Analyst y cuadro de dilogo con los parmetros de configuracin. El algoritmo utilizado se describe brevemente a continuacin: Dado que el recorrido de los pxeles mediante un filtro o Kernel se realiza de izquierda a derecha y de arriba abajo correlativamente y teniendo en cuenta que dicho filtro consta de una matriz de 3x3 pxeles, tendremos en cuenta para cada valor del raster de entrada (altitudes en nuestro caso), los 8 pxeles vecinos al pixel dado, y siguiendo el teorema de Pitgoras podremos obtener los siguientes elementos que utiliza el algoritmo de forma interna: Parmetros de distancia (base del tringulo): obtenido bien por la cabecera del fichero, bien por la pestaa Source de nuestro Layer (Vanse las Propiedades). Para el caso de las diagonales har falta aplicar el mismo teorema y as obtener la distancia entre el pixel central y los cuatro diagonales. Parmetros de diferencia de altura: basta con restar el valor del pixel central y los 8 restantes, ese valor est disponible en el raster de entrada mediante el valor del pixel de altitudes.

-

Pgina 38

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Con esos parmetros basta con aplicar las siguientes frmulas para as obtener la pendiente del pixel con respecto a los pxeles vecinos, quedndonos slo con la pendiente mayor.

dEO= [(Zi+1,j+1 + 2Zi+1,j + Zi+1,j-1) - (Zi-1,j+1 + 2Zi-1,j + Zi-1,j-1)]/8dX dNS = [(Zi+1,j+1 + 2Zi,j+1 + Zi-1,j+1) - (Zi+1,j-1 + 2Zi,j-1 + Zi-1,j-1)]/8dy Donde dx = la distancia este-oeste a travs de la celda (anchura de la celda) dy = la distancia norte-sur a travs de la celda (altura de la celda) El Porcentaje de Pendiente se calcula:

%Pendiente = 100 * [(dEO)2*(dNS)2]1/2

La figura que ilustra mejor la situacin es la siguiente:

Fig. 41. Ncleo de anlisis para la obtencin del raster de pendientes.

Los parmetros utilizados son los siguientes: Input Surface (Superficie o Raster de entrada): aqu especificamos el MDE inicial tal y como hicimos para los contornos. Output Measurement: valores de medicin de la pendiente ya sea en grados o porcentaje. Z Factor (Factor de exageracin): se trata del factor de exageracin del relieve en caso de tratarse de zonas con escasa variacin. Por defecto tenemos 1.0. Output Cell Size (Tamao de pixel por defecto): dejaremos el mismo que el MDE incial, ser el valor de resolucin que tendr nuestro raster de pendientes final. Output Raster (Raster de Salida): ser el nombre del fichero raster en formato ESRI Grid. Ya sabemos las convencin de nomenclatura existente para este tipo de ficheros.

Pgina 39

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2El raster resultante se muestra a continuacin:

Fig. 42. Raster de pendientes obtenido mediante Spatial Analyst. Orientacin (Aspect): se trata del valor de la orientacin respecto al Norte que van de 0 a 360 grados de orientacin. El valor de cada celda indica la orientacin de las laderas. El valor -1 indicar que no hay orientacin y se trata de una superficie plana. Para obtener dicho valor se orienta el MDE de acuerdo a la figura siguiente. En cuanto a la localizacin de la herramienta y sus parmetros se muestran en la siguiente figura (Vase Fig. 43). La herramienta la podemos encontrar en Spatial Analyst Surface Analysis Aspect.

Grados de Orientacin

Fig. 43. Localizacin de la herramienta Aspect (Orientacin) y su cuadro de dilogo.

Pgina 40

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Los parmetros a usar para la obtencin de la orientacin de las laderas se limitan a los raster de entrada y salida (Input y Output Raster) y el tamao de celda (Output Cell Size), por defecto el tamao del raster de entrada (MDE). El resultado obtenido se muestra en la siguiente imagen:

Fig. 44. Aspecto u orientacin de las laderas.

Sombreado Topogrfico (Hillshade): superficie que muestra el grado de iluminacin de los pxeles de acuerdo a dos posiciones relativas, una respecto a la orientacin o ngulo acimutal, y otra respecto al ngulo de elevacin solar o cenital, que por defecto suelen usarse 45 de Elevacin Solar y 315 de Orientacin. Dicha herramienta se puede usar desde Spatial Analyst Surface Analysis Hillshade. Este raster resultante que se muestra en la figura 46, podr ser usado bien como componente cartogrfico que facilitar la representacin del relieve, o bien para clculos relacionados con la insolacin.

Orientacin

Elevacin Solar

Fig. 45. Localizacin de la herramienta Hillshade en Spatial Analyst para ArcGIS.

Pgina 41

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Los parmetros por tanto son el Raster de Entrada (Input Surface), el ngulo Acimutal, el ngulo de altitud solar, si queremos o no modelar las sombras, el Z Factor o factor de exageracin del relieve (por defecto 1.0), el tamao de celda de salida (por defecto el del MDE de entrada), y el raster de salida.

Fig. 46. a. Sombreado topogrfico obtenido a partir del MDE y b. con el MDE superpuesto. Para superponer el MDE sobre el Sombreado topogrfico creando el efecto visualizado en la imagen anterior situamos la capa MDE de la tabla de contenidos sobre la del sombreado, y posteriormente nos dirigimos hacia las propiedades del MDE, pulsando botn derecho del ratn sobre la capa MDE, y seleccionando Propiedades Pestaa Display Transparency, donde especificaremos un porcentaje de transparencia (0 100%).

reas de Visibilidad o Cuencas Visuales (Viewshed): se trata de un raster que representa los pxeles del rea visible desde un punto de observacin. Para ello debemos disponer de un raster de elevaciones y un punto o lnea de observacin que debe estar localizado tridimensionalmente. Para poder disponer de un punto de observacin en 3D debemos crear en primer lugar el punto de observacin mediante una Feature Class o un Shapefile, y convertirlo de Feature Class a 3D Feature Class mediante 3D Analyst Convert Features To 3D, funcin que requiere como parmetros de entrada el Shapefile o la Feature Class, y un MDE o superficie de referencia a partir de la cual tomar el valor de altitud.

Fig. 47. Localizacin de la herramienta Viewshed y los parmetros de configuracin.

Pgina 42

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2El resultado se puede observar en la siguiente ilustracin:

Fig. 48. Cuenca visual del punto de referencia.

Vaciado / Rellenado (Cut/ Fill): se trata de una funcin que calcula el valor de vaciado o relleno de un MDE o cualquier otro modelo digital del terreno entre dos fechas o situaciones. Para ello se basa en una operacin local (pixel a pixel) entre ambas situaciones, apareciendo como resultado los valores de acumulacin o vaciado con distintos colores (ganancias en rojo y con valores negativos, y prdidas con colores azules, y valores positivos; para el caso de los valores estables sin prdidas o ganancias se mostrarn en un color neutro o gris, y su valor ser 0) respectivamente. Los parmetros necesarios se limitan al raster de entrada y salida (Raster Input y Raster Output)

Fig. 49. Ilustracin de la funcin de Cut/Fill de 3D Analyst y Spatial Analyst.Fuente: Sistema de Ayuda (ESRI ArcGIS Desktop)

Todas las capas obtenidas mediante estos procesos de anlisis superficial podrn ser usados posteriormente para cualquier anlisis ambiental, bien para la obtencin de parmetros derivados, como para su uso en un anlisis integrado del territorio.

Pgina 43

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.29. Funciones de Anlisis Raster con Spatial Analyst. Como comentbamos anteriormente las principales funciones de anlisis que podemos llevar a cabo con Spatial Analyst van desde la medicin de distancias, hasta la interpolacin de superficies continuas, pasando por un amplio rango de tiles para el manejo de datos raster y obtencin de parmetros derivados como anlisis de superficie (vistos en epgrafes anteriores), obtencin de densidades y parmetros estadsticos. Aqu vamos a realizar una breve descripcin de cada una de estas funciones, seguida por una aplicacin de ejemplo de cada una de estas aplicaciones a casos reales. Tipos de anlisis: Obtencin del Histograma de frecuencias.

Tipologa de Anlisis: Anlisis de frecuencia en la distribucin de los datos del raster de entrada. Descripcin: herramienta que nos permite visualizar la distribucin de frecuencias de un raster determinado. Ejemplo de aplicaciones: cualquier anlisis en el que necesitemos conocer la distribucin por clases de nuestros datos. Si los datos son continuos tendremos el nmero de pxeles con un valor dado, si lo que tenemos es un raster discreto o temtico el histograma nos mostrar el nmero de pxeles por clase. Procedimiento de anlisis: Para obtener el histograma de nuestros datos (la capa o banda seleccionada en el desplegable de la barra de herramientas) basta con pulsar el botn Histogram de la barra de Herramienta de Spatial Analyst. El resultado puede ser similar al mostrado en la siguiente imagen:

Fig.50. Histograma de frecuencias del MDE.

Anlisis de Distancias euclidiana y de coste.

Tipologa de Anlisis: Anlisis Focal de distancia inmediata o extendida. Descripcin: conjunto de herramientas que nos permite obtener la distancia euclidiana as como la distancia de coste ponderada por uno o varios parmetros usados como superficie de friccin. Adems de estos parmetros podemos obtener superficies derivadas de estos procesos de anlisis como son las reas de asignacin (Allocation), as como las direcciones a un punto concreto del territorio (Direction). Ejemplo de aplicaciones: anlisis de rutas, corredores ambientales, Geomarketing (reas de servicio), etc. Procedimiento de anlisis: principalmente existen tres tipos de distancia que detallo a continuacin y cada una de las cuales tiene un procedimiento de obtencin: Distancia en Lnea Recta en dos dimensiones: o distancia planimtrica obtenida mediante la aplicacin del teorema de Pitgoras aplicado a las coordenadas del centroide de los pxeles origen/destino. Las unidades devueltas estarn referidas al mismo sistema de coordenadas usado (comnmente UTM) Distancia en Lnea Recta en tres dimensiones: que se calcula adaptando el teorema anterior. Distancia de coste o superficie de friccin: modelando tanto la distancia en lnea recta como los obstculos que se encuentra en el camino. Los lugares de destino o referencia pueden estar almacenados tanto en capas vectoriales (puntos, lneas o polgonos) como en datos raster, y las unidades deben de ser especificadas en las propiedades del Data Frame.

Pgina 44

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Clculo de la Distancia Lineal: Para el clculo de la distancia lineal o euclidiana es debemos ir a Spatial Analyst Distance Straight Line.

Fig. 51. Localizacin de la funcin para obtener la distancia en lnea recta y sus parmetros de configuracin. Este proceso nos permite extraer la distancia existente desde cada punto del territorio hasta el punto de destino PuntoDestino.shp. Para ello requiere de los siguientes datos: Distance To (Distancia a): aqu especificaremos la capa que contiene el punto o localizacin de destino o referencia. Maximum Distance (Distancia Mxima): es la distancia que limitar nuestros clculos, a partir de la que no obtendremos ningn valor de distancia. Output Cell Size (Tamao de Celda de Salida): tamao de salida de los pxeles del raster de distancia (opcionalmente tambin para los raster de direccin y asignacin). Create Direction (Crear Raster de Direcciones): aqu especificaremos opcionalmente un fichero de tipo raster ESRI Grid que contendr los valores de direccin a la que tienen que dirigirse cualquier punto o pixel del territorio para llegar al punto ms cercano, en este caso el punto de referencia. Los valores van de 1 a 8 segn la direccin que tomen. Create Allocation (Crear Raster de Asignaciones): raster opcional que contendr un determinado valor relacionado con el punto ms cercano.

-

El resultado para el ejemplo se muestra a continuacin: obviando el raster de allocation o asignaciones dado que slo tendramos un valor al existir un nico punto de referencia o destino.

Fig. 52. a. Raster relativo a la distancia mnima en lnea recta desde cada pixel al punto de destino y b. Raster de direcciones.

Pgina 45


Clculo de la Distancia de Coste: Para el clculo de la distancia ponderada por una superficie de coste es debemos ir a Spatial Analyst Distance Cost Weighted. Para el clculo de la distancia ponderada por una o varias superficies de coste debemos disponer, al menos, de los siguientes datos: Lugar de origen y destino. En nuestro caso dos puntos situados encima de la superficie a analizar, y que posteriormente nos servirn para obtener la ruta ms corta basada en dicha distancia. Superficie de coste o friccin: usaremos la pendiente como principal elemento de impedancia, debidamente ponderado. Superficie sobre la que trabajaremos. Nuestro MDE.

Fig. 53. Localizacin de la herramienta para la obtencin de la distancia ponderada por el coste de trnsito, y parmetros necesarios para su configuracin.Lo primero que debemos obtener antes de realizar nuestras operaciones de clculo de distancias ponderadas, es obtener el factor o factores de ponderacin. En nuestro caso la pendiente. Para ello procedemos a calcular la pendiente en porcentaje o en grados, y a partir de sta reclasificarla en clases segn su grado de afeccin sobre nuestro movimiento a travs de los pxeles, en definitiva, a travs del territorio. Para ello haremos uso de la funcin de Reclasificacin que se ver ms adelante en este mismo epgrafe. Una vez reclasificada y ponderada convenientemente se asignar al Raster de Coste o Impedancia. Los parmetros solicitados por dicha funcin son los siguientes: Distance To (Distancia a): aqu nos pide el elemento de referencia a partir del cual vamos a calcular la distancia de coste ponderada por la pendiente (o cualquier otra superficie) para cualquier pixel o localizacin del territorio analizado. Cost Raster (Raster de Impedancia o coste): ser nuestro raster de pendiente, el que posibilite u ofrezca cualquier resistencia a nuestro movimiento. Maximum Distance (Distancia Mxima de Anlisis): aqu podemos especificar opcionalmente la distancia mxima a partir de la cual no se tomarn ms pxeles para el clculo. Create Direction (Crear raster de direcciones): podemos especificar opcionalmente un raster de direcciones que tomarn los pxeles para dirigirse al punto ms prximo de referencia. Create Allocation (Crear raster de Asignaciones): raster de asignacin del lugar o lugares ms cercanos a un determinado pxel. Output Raster (Raster de Salida): raster cuyos valores tendrn el valor de distancia mnimo ponderado por el coste de impedancia de la pendiente.

A continuacin vemos los parmetros usados (MDE), Pendientes, y puntos de origen y destino.

Pgina 46


Fig. 54. Datos necesarios para la evaluacin de la distancia de coste a un punto dado (a. Localizaciones puntuales, y b. Superficie de friccin Pendiente). El resultado de dicha operacin se puede observar a continuacin (capas de direccin y distancia ponderadas por la pendiente).

Fig. 55. Capas resultantes de la operacin de distancia de coste (ponderada por la pendiente). a. Distancia de coste y b. Raster de Direcciones. Nota. Se ha tomado como referencia el punto de origen o partida.

Clculo de la Ruta ms corta: Una vez obtenidas las superficies de coste de desplazamiento y los otros parmetros (direccin y asignacin) necesarios para el clculo de la ruta ms corta, podremos calcular la ruta ms corta entre los puntos de origen y destino basndonos en los parmetros anteriormente calculados. La funcin la podemos localizar en Spatial Analyst Distance Shortest Path, y los parmetros a especificar son los siguientes: Path To (Ruta hacia): aqu especificamos el punto de destino donde queremos llegar. Cost Distance Raster (Raster de Distancia de Costo): raster que obtuvimos en el clculo anterior. Cost Direction Raster (Raster de Direccin): raster de direcciones que se usar para el clculo de la ruta. Path Type: aqu podremos seleccionar si queremos que el clculo se haga para cada zona de asignacin, para cada celda, o la mejor. Output Features: Aqu obtendremos la ruta o rutas finales en formato Shapefile o Feature Class.

Pgina 47


Fig. 56. Localizacin de la herramienta para la obtencin de la ruta ms corta entre dos puntos dados y los parmetros de configuracin.

El resultado obtenido es el siguiente:

Fig. 57. Ruta obtenida entre el punto de inicio y el punto final ponderada por la pendiente o superficie de coste.

Opcionalmente podemos obtener las zonas de asignacin tal y como hicimos anteriormente respecto a una capa de puntos o entidades de referencia, pero de forma individual y no integrada en el clculo de distancias para ello vamos a Spatial Analyst Distance - Allocation.

Pgina 48

Anlisis Espacial con Datos Raster en ArcGIS Desktop 9.2Anlisis de Densidades.

Tipologa de Anlisis: anlisis basado en la localizacin de puntos o lneas y su relacin con la superficie ocupada. Descripcin: herramienta destinada a conocer la densidad en la distribucin de datos puntuales o lineales por unidad de superficie. Ejemplo de aplicaciones: densidad de poblacin, densidad de vas de comunicacin, anlisis de distribucin de muestreos, verificacin de zonas escasamente dotadas de infraestructuras, etc. Procedimiento de anlisis: el procedimiento de anlisis pasa por recopilar la fuente de informacin a evaluar (sea en formato puntual o lineal) y obtener, mediante la asignacin de los siguientes parmetros, un raster que nos muestre la densidad en la distribucin del fenmeno. As el raster de salida tendr como resultado los valores referidos al nmero de elementos muestreados por unidad de superficie (rea especificada en el radio de bsqueda y las unidades del mapa especificadas). Los parmetros a especificar son los siguientes: Input Data (Datos de Entrada): Population Field (Campo de datos): datos a usar para evaluar su grado de concentracin o dispersin. Density Type (Tipo de anlisis): mediante un ncleo o filtro, o simple. Estando la diferencia principal entre ambos mtodos en que el Kernel permite valorar ms los puntos ms prximos al ncleo del Kernel que los ms alejados, mientras que para el simple, se evalan todos los elementos del mismo modo dentro del rea de anlisis, dndonos el mtodo Kernel superficies ms suavizadas. Search Radius (Radio de Bsqueda): Radio de anlisis en las unidades especificadas para el anlisis. Area Units (Unidades de rea): unidades de medicin del rea de muestreo. Output Cell Size (Tamao de celda de salida): tamao que tendr el raster de salida, por defecto el mismo del MDE que podamos usar posteriormente. Output Raster (Raster de Salida): fichero raster de formato ESRI Grid que contendr los datos finales de densidad.

Fig. 58. Localizacin de la herramienta de Densidad y su configuracin.

En la siguiente figura podemos observar un ejemplo donde hemos obtenido la densidad de puntos de cota por rea de anlisis. Como se puede observar existe una mayor concentracin de puntos en la zona noreste del trmino municipal, dndose casos de escasez de puntos en la zona suroeste, por lo que sera recomendable obtener alguna fuente adicional para las zonas que disponen de pocos puntos acotados que puedan detectar las formas del relieve en dicha zona.

Pgina 49


Fig. 59. Mapa de densidad de puntos de cota usados para generar el MDE y verificar las zonas con escasa densidad de puntos.

Tipologa de Anlisis: tcnicas de interpolacin. Descripcin: se trata de tcnicas estadsticas de interpolacin de puntos de muestreo de una variable dada, en zonas donde no es posible obtener este tipo de muestras, o las fuentes disponibles no disponen de datos para tales localizaciones. Ejemplo de aplicaciones: como ejemplo de aplicaciones tenemos aplicaciones a dispersin de contaminantes, datos climticos, anlisis de datos oceanogrficos, etc. Procedimiento de anlisis: Aunque estas herramientas no son las ms completas para un estudio Geoestadstico de una variable determinada, ya que para ello deberamos emplear Geostatistical Analyst que nos provee de mejores mtodos de interpolacin y anlisis exploratorio entre otros, si no disponemos de dicha extensin podremos utilizar las que nos facilita Spatial Analyst, junto con sus parmetros de configuracin. Es por ello que haremos un breve repaso a estos mtodos sin entrar en demasiados detalles, ya que estos aspectos los trataremos ms en detalle en la edicin de la gua sobre Geostadstica. Estos mtodos se clasifican bsicamente en determinsticos y Geostadsticos, aunque hay otras clasificaciones que los diferencian en locales o globales segn usen puntos de una muestra cercana a un punto conocido, o si usa todos los puntos para obtener la superficie, etc.: No entraremos en demasiados detalles ya que no es tema de estudio los mtodos geostadsticos, sino el anlisis espacial basado en

Analisis Espacial Con Datos Raster en Spatial Analyst

Documents

Transcript of Analisis Espacial Con Datos Raster en Spatial Analyst