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Evaluacin de la Calidad de los DEM y SRTM y ASTER
... en una Cuenca Costera de la Regin de la Araucana, bajo
distintas condiciones de Relieve y Cobertura Vegetal.
El conocimiento del factor topogrfico es un insumo bsico para
comprender gran parte de los procesos ocurridos en la superficie de
la tierra. Es por esto, que para facilitar el procesamiento
computacional de la informacin se ha generado lo que se conoce como
Modelo de Elevacin Digital (DEM). Las crecientes necesidades de
contar con datos de elevacin con una baja demanda de tiempo,
procesamiento y a un costo accesible, ha incentivado el desarrollo
de diversas plataformas satelitales destinadas a generar informacin
de la superficie terrestre en forma de DEM, sin embargo, a pesar de
que los rangos de precisin estn en general bien descritos para cada
plataforma, diversos autores recomiendan que las validaciones deben
realizarse a nivel local para tomar mejores decisiones. El objetivo
de este trabajo es realizar un anlisis cuantitativo de la calidad
de los DEM SRTM y ASTER comparados con puntos de control terrestre
bajo diversos tipos de relieve y cobertura vegetal. El anlisis
comparativo se baso en la definicin de cuatro tipologas de
superficie terrestre en las cuales se capturaron datos de altitud
GPS para su posterior contraste con los DEM. Los resultados indican
que existen diferencias significativas entre la distribucin de los
errores en cada tipologa de superficie, siendo comparativamente
menores en sectores de llanura, aunque indistintamente del tipo de
cobertura vegetal. En relacin a la calidad de ambos modelos, SRTM
se presenta con mejores resultados en cada uno de los parmetros
evaluados tanto a nivel global como por tipologas.
Figura 1. DEM de diferencias entre los modelos SRTM y ASTER
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1. Introduccin
El conocimiento del factor topogrfico es un insumo bsico para
comprender gran parte de los procesos ocurridos en la superficie de
la tierra (Hook, 1998). Se utiliza en anlisis de ecologa,
hidrologa, riesgos naturales, entre muchos otros, como una variable
de base para explicar y predecir ciertos comportamientos mediante
la modelacin (Jarvis et al., 2004). En este contexto, para
facilitar el tratamiento y anlisis computacional de esta
informacin, surge el concepto de Modelo de Elevacin Digital (DEM).
Un DEM es una estructura numrica de datos que representa de forma
cuantitativa y continua las caractersticas topogrficas del
territorio (Felicsimo, 1998; Chaplot et al., 2006).
En la actualidad, existe una creciente demanda de datos de
elevacin tanto por parte de organismos pblicos, privados, centros
de investigacin y universidades, los que pueden ser generados a
partir de mapas topogrficos, fotografa area, sistemas GPS, datos de
sensores lser como el LIDAR, sensores radares o mediante imgenes
satelitales estereoscpicas. Sin embargo, en estudios que requieren
informacin sobre extensas superficies, la ventaja que presentan los
sistemas satelitales es ampliamente superior. Esto dado
principalmente por la relacin de costo/tiempo/beneficios que
presentan, adems de la consistencia de los datos ya que son
capturados en un mismo momento y bajo iguales condiciones
atmosfricas y de calibracin del sensor (Roa & Kamp, 2008). Es
por esto que en las ltimas dcadas se han desarrollado una serie de
plataformas satelitales que capturan datos de la superficie
terrestre generando DEMs.
Entre los sistemas satelitales que ofrecen datos topogrficos, se
encuentran plataformas cuya informacin est disponible de manera
gratuita, de fcil acceso y con una disponibilidad a nivel global.
Entre estos, est el sistema radar Shuttle Radar Topographic Mission
(SRTM), uno de los ms ampliamente utilizados, y el sistema ASTER
(Advance Space Borne Thermal Emisin and Reflection Radiometer), que
destacan por su alta resolucin espacial y disponibilidad global. Si
bien, ambos sistemas presentan rangos de precisiones conocidas, son
muchos los autores que sealan que esta depender finalmente de las
condiciones locales presentes en el rea de estudio (Kiamehr &
Sjberg, 2005; Schumann et al., 2008; Li & Wong, 2009). Por otra
parte, nuestra capacidad de poder entender y modelar de mejor forma
los distintos procesos depender en gran medida de la calidad de la
informacin topogrfica que tengamos disponible, en este caso de los
DEM.
El objetivo de este trabajo es realizar un anlisis cuantitativo
de la calidad de los DEM SRTM y ASTER, comparados con puntos de
control terrestre, evaluando la distribucin y magnitud de los
errores en funcin del tipo de relieve y la cobertura vegetal.
2.- Metodologa
El rea de estudio corresponde a la cuenca del ro Queule,
localizada entre los 39 3 y 39 25 de Latitud Sur y los 72 51 y 73
13 de Longitud Oeste. Posee una superficie de 69.143 hectreas
distribuidas en tres principales cuencas costeras: la del ro Queule
inferior, ro Boroa y ro Boldo, cuyo relieve se caracteriza por
cordones montaosos, plataformas de erosin marina y extensas
planicies fluviomarinas (Pea-Cortes et al., 2006). El clima segn Di
Castri y Hajek (1976) es ocenico con influencia mediterrnea con un
promedio anual de precipitaciones de 1.200 mm a 1.600 mm.
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Procesamiento cartogrfico
Los datos de elevacin fueron obtenidos de las fuentes libres
disponibles en internet. Para el caso de SRTM, la imagen fue
descargada del sitio http://srtm.csi.cgiar.org/ obteniendo el
producto estndar SRTM-v4 de 90 mt. El DEM ASTER fue descargado
desde el sitio https://wist.echo.nasa.gov. En ambos casos las
imgenes fueron trabajadas con un tamao de pixel de 30 metros,
proyeccin UTM y Datum WGS84, con una altitud considerada al nivel
medio del mar con el modelo geoidal EGM96, mismo sistema utilizado
para la captura de puntos de control en terreno.
La identificacin de la cobertura vegetal y tipo de relieve
presentes en el rea de estudio se realiz en base a los datos del
Catastro de Recursos Vegetacionales de Chile (CONAFCONAMABIRF,
2007), informacin cartogrfica Regional y del proyecto DGIP-UCT
2009-03-03 respectivamente. El procesamiento y anlisis de la
informacin fue realizado con el software ArcGis 9.3.
Anlisis comparativo
Para evaluar las diferencias en la calidad de ambos DEM, se
trabajo con cuatro principales tipologas de superficies basadas en
las condiciones de relieve y la cubierta vegetacional presente.
Estas tipologas consideraron los rangos ms extremos entre ambas
variables consideradas, es decir, para el caso del relieve se
consideraron unidades de cordones montaosos y llanuras, mientras
que para la vegetacin se consideraron sectores de praderas y zonas
boscosas, con las tipologas y replicas indicadas en la tabla 1. En
cada una de las combinaciones generadas se realiz la toma de puntos
de control mediante equipos GPS L1/L2 con mtodo absoluto (Ocup. 2).
Los puntos fueron procesados y convertidos en una capa Shape
vectorial para extraer el correspondiente valor dado por los DEM
SRTM y ASTER.
Tabla 1. Tipologas de superficies muestreadas
Para la comparacin entre las distintas fuentes de informacin se
realiz una primera aproximacin general de los datos, la que
consisti en un anlisis de varianza entre los errores observados en
cada tipologa para comprobar si efectivamente existen diferencias
significativas por efectos de la configuracin de la superficie.
Los criterios de anlisis empleados para establecer la calidad de
cada DEM, se basaron en las diferencias de altitud entre cada punto
de control GPS (Valor observado) y los obtenidos de los modelos de
elevacin (valor esperado). Para esto se consideraron los siguientes
parmetros: Error cuadrtico medio (RMSE), Sesgo (BIAS), Error medio
absoluto (MAE) y el Coeficiente de correlacin (R2). Los resultados
se agruparon por tipologa evaluando la distribucin y magnitud en
cada una de ellas.
Finalmente se elabor un DEM de diferencias entre los modelos
SRTM y ASTER, en el cual se indica la magnitud de estas en cada
pixel.
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Resultados y Discusin
Los DEM analizados presentaron diferencias significativas
(p-valor 0,026; a 0,05) en relacin a la distribucin de errores
entre las cuatro tipologas de superficie estudiadas. Lo anterior se
puede apreciar con detalle en la tabla 2, en la cual tanto para el
caso de SRTM como de ASTER se observan valores comparativamente ms
bajos de RMSE y MAE en tipologas de bajo relieve. Respecto al tipo
de cobertura predominante, esta present una leve influencia en
sectores de cordn en donde las zonas boscosas obtuvieron valores ms
altos de error que en coberturas con praderas.
Tabla 2. Distribucin y magnitud de los errores entre puntos de
control terrestre y los DEM SRTM y ASTER. RMSE = Error cuadrtico
medio; BIAS = Sesgo; MAE = Error medio absoluto; R2 = Coeficiente
de correlacin
Por otra parte, si bien el ajuste global de los datos derivados
de los distintos DEM se correlacion fuertemente con los puntos de
control, al efectuar el anlisis por tipologas estas correlaciones
tendieron a bajar levemente en algunos sectores, siendo las zonas
boscosas en llanura las que presentaron los valores ms bajos. Lo
anterior puede deberse a la escaza cantidad de puntos de muestreo
que se lograron capturar en esas reas producto de que se trataba de
bosques pantanosos de difcil acceso vial e inundados la mayor parte
del ao.
En relacin a la calidad de ambas fuentes de informacin, se
observa que el DEM SRTM presenta mejores resultados de ajuste con
los datos de terreno que ASTER, tanto en trminos globales como en
cada una de las tipologas de superficie. Por otra parte ambas
plataformas presentaron efectos de subestimacin o sobreestimacin
con respecto a los puntos de control, los que tambin estuvieron
diferenciados segn la tipologa de la superficie, siendo positivos
(sobre estimacin) en zonas de llanura y negativos (sub estimacin)
en cordones. En todos los casos fueron ms preponderantes en el
sensor ASTER, excepto para las zonas de pradera en llanura.
La comparacin pixel a pixel entre ambos DEM present valores que
oscilan entre los -70 y los 156 mt, siendo las diferencias
positivas las que concentran la mayor parte de los pixel. La figura
1 presenta la magnitud y distribucin de estas disimilitudes.
Como se observa, las mayores diferencias se encuentran en
sectores de cordn montaoso, los que en el rea de estudio se
caracterizan por poseer predominantemente coberturas boscosas ya
sea naturales o plantaciones. En este sentido para el caso de SRTM
estn descritos los efectos de sobre estimacin que generan este tipo
de cubiertas en la captura de los datos, lo cual explica las altas
diferencias positivas que se presentan en estos sectores en relacin
al sensor ASTER. A pesar de lo anterior, para la cuenca costera
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estudiada se recomienda el uso de datos de elevacin SRTM ya que
present un mejor ajuste tanto en trminos globales como por cada
tipologa.
Agradecimientos
Los autores del trabajo agradecen al proyecto DGIP-UCT
2009-03-03 Determinacin de criterios e indicadores para zonificacin
ambiental a partir del anlisis de factores multiescala en cuencas
del Borde Costero de La Araucana.
Tambin se agradece el valioso apoyo de Elas Andrade, alumno del
Magister en Planificacin y Gestin Territorial de la Universidad
Catlica de Temuco.
Fuente:
Daniel Rozas Vsquez
Laboratorio de Planificacin Territorial, Escuela de Ciencias
Ambientales, Facultad de Recursos Naturales, Universidad Catlica de
Temuco, Chile.
E-mail: [email protected]
Gonzalo Rebolledo Castro
Laboratorio de Planificacin Territorial, Escuela de Ciencias
Ambientales, Facultad de Recursos Naturales, Universidad Catlica de
Temuco, Chile.
E-mail: [email protected]
Patricia Gutirrez Zamorano
Laboratorio de Planificacin Territorial, Escuela de Ciencias
Ambientales, Facultad de Recursos Naturales, Universidad Catlica de
Temuco, Chile.
E-mail: [email protected]
