Introducción
Un MDE es una representación visual y matemática de los valores de altura con respecto al nivel medio del mar, que permite caracterizar las formas del relieve y los elementos u objetos presentes en el mismo.
Estos valores están contenidos en un archivo de tipo ráster con estructura regular, el cual se genera utilizando equipo de cómputo y software especializados.
En los MDE existen dos cualidades esenciales que son la exactitud en la vertical y la resolución horizontal o grado de detalle digital de representación en formato digital, las cuales varían dependiendo del método que se emplea para generarlos y para el caso de los que son generados con tecnología LiDAR se pueden crear modelos de alta resolución y gran exactitud (valores submétricos).
Especialmente con los MDE producidos desde LiDAR, hay que distinguir entre dos tipos:
- el Modelo Digital de Superficies - MDS, que incluye edificios, infraestructuras, vegetación, etc.
- el Modelo Digital del Terreno – MDT, que utiliza la clasificación* del tipo de pulso para eliminar automáticamente lo que está instalado sobre el terreno y dejar solo la base.
* clasificación LiDAR: se realiza con algoritmos y supervisión de resultados, evaluando su altura, la intensidad reflejada o el carácter de rebote múltiple (primer y último eco). Habitualmente sólo se tiene en cuenta la altura de cada punto comparada con la de sus vecinos. Existen diferentes algoritmos para obtener el MDT, pero todos se basan en la selección de los puntos más bajos en un entorno.
Hay la salvedad de las zonas inundadas si hay cierta profundidad, porque se recogen muy pocos puntos debido a la reflexión especular del pulso láser que impide en ocasiones que el eco regrese al sensor; a lo que se une el hecho de que en las márgenes de los ríos la vegetación suele ser muy abundante.
En el caso de Navarra se dispone de un LiDAR realizado en 2011-2012 de 1 punto/m2 y del reciente de 2017 con más de 10 puntos/m2. Las huellas (fechas de vuelo), malla (para facilitar la descarga) y los archivos LAZ (LAS comprimido) se encuentran para descarga en el
Repositorio de Descarga de Cartografía y en la
Cartoteca y Fototeca, apartado de Cartoteca - LiDAR y MDE's. Este incremento espectacular de resolución, primera vez en uso civil en Europa, ha sido posible gracias al sensor de
Leica RCD30-DS.
Como se describe en el
documento del repositorio, la versión LAZ del año 2017 es la 1.4, y pocos software están actualizados como para poder utilizarlos (pero permite incluir la ortofoto simultánea al vuelo en RGB e infrarrojo cercano), por lo que se pone a disposición la herramienta "LiDAR Converter", que permite transformar los datos entre sus diferentes versiones, desde 1.1 a 1.4 y formatos ".las" y ".laz", el cambio de sistema de referencia, la transformación de altitudes elipsoidales a ortométricas, mostrar las clases, filtrado de los puntos clasificados, filtrado espacial por coordenadas, reasignación de atributos de RGBI e Intensidad y modificación del formato del punto. Además, es una aplicación portable, por lo que no requiere de instalación.
Del LiDAR 2011-2012 se crearon un MDT y MDS en formato ráster de 2 x 2 m de paso de malla, que tiene una versión corregida y actualizada parcialmente en 2014. Del de 2017, se han generado MDT y MDS a 0.25, 0.50, 1 y 2 m de paso de malla, de los que están disponibles para descarga los de 0.50 y 2 m, y los otros bajo petición a tienda.cartografia@navarra.es.
MDT y MDS se descargan en ZIP en dos formatos: ASC y XYZ. Para QGIS se recomienda ASC (más rápido) incorporando directamente los archivos ZIP que serán tratados como un MDE ráster.
Esta información de 0.5 m (y opcionalmente de 0.25) está disponible para utilizar en SIG, especialmente dirigida a la redacción de proyectos de detalle. Para un uso más general a través del Web Coverage Service – WCS de IDENA, se dispone de MDE y derivados en 2 x 2 m, con la ventaja de que es continuo para toda Navarra, no por hojas:
En el caso del WCS, para trabajos más allá de la visualización o consulta por identificación, se requiere del almacenamiento del ráster en formato GeoTiff. En la operación, con Exportar - Guardar objetos como, puede realizarse a la vez la transformación del CRS si fuera necesario.
Ejercicio
El ejercicio se desarrolla sobre los cascos urbanos de Olite y Tafalla, en la Navarra Media. Para aquellos que puedan estar interesados en realizar el ejercicio en otro lugar de Navarra, podéis descargaros la
delimitación municipal con los valores del
Normal Direct Irradiation (kWh/m2/año) y elegir en consonancia.
1. Para acceder a los Modelos Digitales de Elevación (píxel de 50 cm) de la zona de estudio acudimos a la
Cartoteca y Fototeca de Navarra* y activamos Cartoteca – Cartografía - LiDAR y MDE's – MDS - 2017 MDS 50cm y MDT - 2017 MDS 50cm. Aparecerá la malla de descarga.
En búsquedas, escribimos Tafalla y seleccionamos el Casco urbano:
Con la selección por línea o polígono, obtenemos en el panel de resultados las tres hojas y la previsualización de la vigente con el MDS coloreado por la clasificación simplificada. En cada resultado, nos descargamos el archivo ZIP con formato ASC:
- MDS_0173_24_2017_EPSG25830_50cm.asc.zip
- MDS_0173_34_2017_EPSG25830_50cm.asc.zip
- MDS_0206_31_2017_EPSG25830_50cm.asc.zip
- MDT_0173_24_2017_EPSG25830_50cm.asc.zip
- MDT_0173_34_2017_EPSG25830_50cm.asc.zip
- MDT_0206_31_2017_EPSG25830_50cm.asc.zip
* También pueden descargarse desde el
Repositorio de Descarga de Cartografía, para quién conozca bien la nomenclatura de las hojas. En este caso hay una colección de MDS-MDT (alturas), pero al no ser un producto habitual, lo obviaremos para no quitar emoción.
2. Desde IDENA, descargamos la delimitación de los cascos urbanos y las edificaciones sobre rasante:
3. Abrimos nueva sesión de QGIS. Para tener una referencia geográfica, incorporaremos en esta ocasión la Ortofotografía de 2019 (primera realizada en invierno) por servicio teselado (WMTS) dando de alta el servicio:
http://idena.navarra.es/ogc/wmts/1.0.0/WMTSCapabilities.xml
De esta forma, fijamos el SRC del proyecto en EPSG:25830, que es el oficial. QGIS hará una transformación al vuelo excelente con información que tuviera otros SRC, aunque no será ésta la ocasión.
Incorporamos ambos ZIP con los shapefiles (los .shp, no los .xml de los metadatos y .sld de simbología), seleccionamos los cascos urbanos de Tafalla y Olite / Erriberri (gráficamente si conocemos el lugar o alfanuméricamente desde la tabla de atributos) y con Exportar – Guardar objetos seleccionados, creamos el shapefile "CU_Olite_y_Tafalla". Se trata de polígonos multiparte, con lo que son varias entidades gráficas, pero solo dos registros en la tabla.
Eliminamos ESTADI_Pol_EntidadPob del panel de capas (y del disco, si queremos).
Cambiamos el estilo de la nueva capa a línea exterior sencilla, con color y grosor que permita distinguirla sobre la ortofoto.
Ahora la selección de las edificaciones de ambos cascos urbanos los realizamos con Vectorial – Herramientas de investigación – Seleccionar por localización:
Como antes, con Exportar – Guardar objetos seleccionados, creamos el shapefile "Edificios_sobre_rasante". Para ser más exactos, no son edificios, sino volúmenes constructivos con distintas alturas, que tienen asignada una altura como en la Dirección General del Catastro por número de plantas. El atributo "ETIQUETA" sigue una codificación habitual en el catastro foral utilizado en las cédulas parcelarias para este propósito.
Eliminamos DIRECC_Pol-Edifaltura del panel de capas (y del disco, si queremos). Desconectamos su visualización de momento.
Cambiamos el estilo de la nueva capa a línea exterior sencilla, con color y grosor que permita
4. Incorporamos al proyecto los archivos ZIP con los ASC que descargamos de la Cartoteca.
Son archivos compactados de más de 300 Mb, así que costará un tiempo. No incorporan información del SRC, así que "asumen" el del proyecto.
El estilo por defecto es Gris monobanda de negro a blanco, estirando la paleta del mínimo al máximo, con lo que los tres son diferentes y francamente feos. Para darles una apariencia mejor, cambiaremos en uno de ellos a la simbología Mapa de sombras (valores por defecto) y copiaremos-pegaremos el estilo en los demás.
5. Los MDS sobrepasan en mucho el ámbito geográfico de la zona de trabajo y para trabajar con ellos se requiere que sean GeoTIFF, de forma que los recortaremos y transformaremos uno a uno, ajustando al área.
Con el Geoalgoritmo: Geometría mínima delimitadora – Rectángulo orientado mínimo, sobre CU_Olite_y_Tafalla, conseguimos acotar el área. Con Ráster – Conversión – Rasterizar, creamos con valor fijo 1, unidades georreferenciadas y resolución idéntica al MDT (0.5 m) creamos el ráster "Ambito".
Para recortarlos y transformarlos en GeoTIFF, recurrimos a Ráster – Calculadora ráster, con cada archivo con las expresiones de abajo. Cuidado a la Extensión de la capa seleccionada, que corresponda con la que toca y con el SRC (como vimos en 4), que debe ser ESPG:25830:
"MDS_0173_24_2017_EPSG25830_50cm.asc@1" * "Ambito@1"
"MDS_0173_34_2017_EPSG25830_50cm.asc@1" * "Ambito@1"
"MDS_0206_31_2017_EPSG25830_50cm.asc@1" * "Ambito@1"
Copiar y pegar estilo en los nuevos ráster.
6. Transformaremos los tres ráster en uno solo. Con Ráster – Miscelánea – Combinar, incorporamos los 3 archivos "MDS_0173_XX__2017_EPSG25830_50cm", tipo Float32 (número con decimales), en archivo físico "MDS_2017_EPSG25830_50cm", incorporando el resultado al proyecto. Copiamos y pegamos el estilo en el nuevo ráster y vemos que queda a 0 (cero) la envolvente del ámbito global; con Propiedades – Transparencia, asignamos 0 al valor adicional sin dato (ya que no hay en esa zona valores 0; eso sería un problema en ámbitos de costa, que exigiría corrección).
7. Repetimos el proceso de los puntos 4 a 6, pero con el MDT:
"MDT_0173_24_2017_EPSG25830_50cm.asc@1" * "Ambito@1"
"MDT_0173_34_2017_EPSG25830_50cm.asc@1" * "Ambito@1"
"MDT_0206_31_2017_EPSG25830_50cm.asc@1" * "Ambito@1"
Y los combinamos para crear el archivo físico "MDT_2017_EPSG25830_50cm" al que damos la misma simbología y transparencia que al MDS. Eliminamos del proyecto y del disco los archivos MDS intermedios, tanto ASC.zip como TIFF. NO ELIMINAR "Ambito". Reordenamos el Panel de capas.
Asignando a la Ortofoto de 2019 una transparencia del 50% y con zoom de detalle a Tafalla, el mapa empieza a tener cierto encanto.
8. Pero como hablamos de cubiertas de edificaciones en un entorno urbano, no podemos ignorar circunstancias como que una montaña, vegetación con porte elevado, edificios cercanos o volúmenes de la propia edificación produzcan sombras que minimicen la captación solar.
Un análisis de la altura máxima del Sol en el cielo a lo largo del año, más estando en el paralelo 42, complicaría mucho el ejercicio y más con esta alta resolución de los MDE (esfuerzo de hardware y de procesamiento).
Otorgándonos una gran licencia con respecto a la resolución espacial, sí podemos hacer el cálculo de sombras para el caso más desfavorable, que es el solsticio de invierno (22/12 en 2019) y poder descartar situaciones excepcionales (montañas, otros edificios significativos, etc.).
Hay páginas Web (ejemplo
http://www.solartopo.com/orbita-solar.htm) que nos pueden ayudar en esto y que nos proporcionan los valores del cenit y acimut para esa fecha. El máximo a las 14:00 h.:
- Cenit: 24.05º (elevación máxima sobre el horizonte. Vertical=90º)
- Acimut: 177.72º (Norte=0 en el sentido de las agujas del reloj)
Con estos datos, se puede crear un "Sol imaginario" que permita resolver esta cuestión.
El problema que puede causarnos la gran resolución del MDS para este caso concreto, lo remediaremos, Dando de alta el servicio WCS de IDENA :
https://idena.navarra.es/ogc/wcs
E incorporamos al proyecto el MDS_2M_VE2017
Copiamos y pegamos el estilo en el nuevo ráster desde los anteriores MDT o MDS. Vemos que cubre todo el territorio de la Comunidad Foral, por esto lo llevamos a la parte inferior del Panel de capas.
Para el análisis de zonas de sombra nos ayudaremos del complemento
Visibility Analysis (Complementos – Administrar e instalar complementos – Todos, buscar "Visibility" e instalarlo. Se aloja en Procesos (al final del todo) con un apartado completo.
No será un factor "determinante", porque puede haber otros que pasen desapercibidos (antenas, chimeneas u otros elementos demasiado pequeños como poder recogerlos), pero podrá tenerse en cuenta en la valoración final de idoneidad.
Como el área de trabajo tiene poco menos de 10 Km de N-S, situamos el "Sol imaginario" otros 10 Km al sur para no generar falsas sombras. Tomando las coordenadas de la esquina inferior-izquierda (viene bien otro complemento: Captura de coordenadas, que solo hay que activar porque forma parte del "core" de QGIS), y, al resultado, restarle 10000 en el eje y por trigonometría, otros 500 (diferencia de 177,70 a 180º) en el eje x. Se puede crear un archivo csv con estas x e y, e importarlo a QGIS para crear un shapefile, o descargarlo desde
aquí (shapefile: Acimut_Cenit_Solar_Solsticio_Inverno) e incorporarlo al proyecto.
Con el MDS, para ser extraordinariamente prudentes*, optaremos por remuestrear el
WCS a 5 x 5 m y con un área que recoja tanto el Ambito como el punto del shapefile (al sur) recién incorporado. Con Captura de coordenadas y el Bloc de notas, tomaremos las coordenadas (nada generosas) de la zona, por ejemplo:
Esquina W: 606800, N: 4710900, S:4691700 y E: 612950
* Visibility Analysis es muy exigente en procesamiento y almacenamiento, así que cada cual adapte lo siguiente a sus circunstancias. Depende de la memoria, almacenamiento y capacidad de cálculo del equipo, que se pueda utilizar una mejor resolución. Hemos optado por remuestrear a 5 x5 m para garantizar que se puede realizar con (casi) cualquier equipamiento. En el caso de querer/poder hacerlo con el MDS de 0,5 m, será necesario descargar y combinar las hojas que faltan.
Desde IDENA.WCS:ELEVAC_Ras_MDS_2M_VE2017 – Propiedades – Exportar – Guardar como:
Desde Visibility Analysis, con Create viewpoints, transformamos el archivo que contiene el único punto al modelo de datos requerido por el complemento. Esta capa sustituye a la fuente con x,y.
De nuevo, desde Visibility Analysis, con Viewshed:
Los valores son 1: Visible y 0: No visible (sombra). Su extensión es el del MDT de 5m; para recortarlo, realizamos la misma operación con la Calculadora ráster del punto 5 contra Ambito (aplicar Extensión de la capa seleccionada con Ambito) y creamos "Zonas_en_sombra".
("OUTPUT@1" = 0) * Ambito@1
Con ello, le hemos dado la vuelta a los valores 0 y 1. Asignamos simbología de Pseudocolor monobanda – Lineal – Intervalos iguales – 2 clases: 0= blanco [#ffffff], 1= rojo [#d7191c]. Damos a Aplicar y en Transparencia – asignamos 0 a color transparente adicional. Aceptamos y revisamos el nuevo ráster contra el MDS de 50 cm.
Recomendada una "visita" al Palacio de Olite (611000,4704150) y la inmensa sombra que proyecta su porte imponente.
Continuamos en el siguiente post.