Ejemplo práctico para la delimitación de cuencas hidrográficas con

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA
Y CIENCIAS ATMOSFÉRICAS
METODOLOGÍA PARA LA EXTRACCIÓN AUTOMÁTICA DE
CUENCAS Y ELABORACIÓN DE UN MAPA DE SALIDA CON
ISOYETAS EN ARCGIS 10.1
Memoria Técnica
Que para obtener el Título de:
Licenciada en Ciencias Atmosféricas
Presenta:
Lorena Piedra Castillo
M. en I. Domitilo Pereyra Díaz
Director
Xalapa-Enríquez, Veracruz
M. en G. José Antonio A. Pérez Sesma
Co-Director
Julio, 2013
Esta tesis fue apoyada por el Programa de Estudios de Cambio Climático de
la Universidad Veracruzana (PECCUV)
1
2
AGRADECIMIENTOS:
A Dios:
Por darme la fuerza para seguir adelante día a día.
A Mis Padres y Hermanos:
Por brindarme su apoyo incondicional y por estar ahí cuando los necesito.
A mi esposo:
Por impulsarme a conseguir mis metas.
A mis Hijos:
Por ser fuente de inspiración y alentarme a seguir adelante en todo momento.
A mis amigos:
Por ser parte de mi vida y brindarme su amistad.
Un especial agradecimiento al M.I. Domitilo Pereyra Díaz y al M.G. José Agustín Pérez Sesma por el
apoyo que me brindaron durante la realización de este trabajo.
3
ÍNDICE
RESUMEN ........................................................................................................ 5
INTRODUCCIÓN .............................................................................................. 6
1. LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA .................................. 7
1.1 UN INTENTO DE DEFINICIÓN ..................................................................... 8
1.2 SIG Y GEOGRAFÍA .................................................................................. 10
1.3 LOS COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA. ....... 11
2. MODELACIÓN HIDROLÓGICA ................................................................. 13
2.1 MODELO Y ESTRUCTURA DE DATOS DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN
GEOGRÁFICA. ................................................................................................
13
2.1.1 La representación de los datos ....................................................... 13
2.1.2. Modelos lógicos. Formato raster y vectorial ................................... 14
2.1.4 Modelo de datos raster.................................................................... 17
2.1.5. Ventajas y Desventajas de los Modelos de Datos Vector – Raster 17
2.3. IMPORTANCIA DE LOS SIG EN MODELACIONES HIDROLÓGICAS. ................... 19
2.4 UTILIDAD DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA EN ESTUDIOS
HIDROLÓGICOS .............................................................................................. 22
2.5. APLICACIONES DE SIG A LA PLANIFICACIÓN HIDROLÓGICA .......................... 23
3. APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA EN
MODELACIÓN HIDROLÓGICA. .................................................................... 24
3.1 EJEMPLO PRÁCTICO PARA LA DELIMITACIÓN DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS
CON ARCGIS. HERRAMIENTA ARC HYDRO TOOLS .............................................
24
3.1.1. Corrección del modelo digital de elevaciones ................................. 26
3.1.2. Delimitación de cuencas ................................................................ 31
3.1.3. Delimitación de una cuenca específica. ......................................... 40
3.1.4. Presentación de resultados ............................................................ 44
4. DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES ............................................................... 58
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................. 59
4
RESUMEN
Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) y la hidrología son dos campos
de trabajo que comparten muchos intereses. Por esa razón, cada vez más
investigadores se ayudan de los SIG para la construcción de modelos
hidrológicos, especialmente cuando es necesaria la representación espacial de
redes de drenaje. El presente trabajo examina algunos aspectos de los
numerosos vínculos existentes entre los SIG y la modelación hidrológica.
Como punto de partida se establece una visión global de los esfuerzos
realizados en el pasado y las tendencias actuales observadas a la hora de
aplicar estos sistemas al análisis hidrológico. A continuación se describen
someramente algunos de los beneficios que las estructuras de datos orientadas
a objetos tienen en estos modelos. Para finalizar, se describe un ejemplo
práctico de la aplicación de los sistemas de información geográfica a la
hidrología.
5
INTRODUCCIÓN
En los últimos años ha aumentado el interés por las aplicaciones de los SIG en
hidrología y recursos hídricos. Este aumento es en gran medida, respuesta del
crecimiento de sensibilidad del público a la calidad y manejo de estas técnicas.
La tecnología SIG tiene la capacidad de capturar, analizar, almacenar,
manipular y visualizar datos georreferenciados.
La integración de hidrología y SIG es bastante natural. Los SIG pueden ayudar
al diseño, calibración, modificación y comparación de modelos hidrológicos. Se
espera que esta integración siga expandiéndose y se acelere en un futuro
próximo.
Quizá la mayor aplicación de SIG en hidrología ha sido el campo de la
modelación de cuencas. Esto es comprensible ya que los modelos informáticos
de hidrología de cuencas están compuestos de muchos datos y los SIG son la
tecnología idónea para procesar grandes volúmenes de datos.
La digitalización manual de la red de drenaje es una tarea muy costosa y
subjetiva, sobre todo para cuencas de gran tamaño (con áreas mayores de 10
Km2) (Jenson y Domingue, 1988; Mark, 1984; Moore et al, 1991; Martz y
Garbrecht, 1992). La automatización de la segmentación de la cuenca y la
extracción de la red de drenaje y propiedades de las subcuencas, procedentes
de los datos de elevación, representa una gran ventaja ya que es una forma
rápida de parametrizar la cuenca.
6
1. LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA
En la década de los setenta, con el desarrollo de la tecnología informática,
aparecieron una serie de programas cuya finalidad era gestionar datos
espaciales georreferenciados. En los primeros momentos se necesitaba una
poderosa herramienta para poder trabajar con ellos; poco a poco se fueron
desarrollando mejores técnicas que han ido simplificando y popularizando la
utilización de este tipo de programas. Algunos autores han llegado a afirmar
que “los Sistemas de Información Geográfica son la herramienta más
importante desde la invención del mapa” (Chorley, 1987). No sabemos si
realmente este nuevo avance es tan crucial pero, sin duda, se trata de una
interesante y útil herramienta que facilita la compilación, análisis y divulgación
de los datos geográficos. Además, “los sistemas de Información Geográfica
(SIG) ofrecen numerosas ventajas respecto a la cartografía convencional,
puesto que de forma automática permiten manejar datos espaciales
internamente referenciados, producir mapas temáticos y realizar procesos de
información de tipo digital” (Conesa, 1996). Ello justifica todo aquel esfuerzo de
síntesis que se realice para conocer y entender mejor los aspectos más
relevantes de estos sistemas.
El desarrollo de los SIG ha ocurrido paralelo al progreso del hardware y del
software informático. Los avances en la tecnología de los ordenadores
personales (PC) se han visto correspondidos con unos Sistemas de
Información Geográfica más avanzados y fáciles de manejar (Cassetari, 1993).
Quizás los aportes más importantes de los SIG1, respecto a otros sistemas de
información, son el marco de referencia donde se organiza y su capacidad de
realizar análisis geográficos; es el adjetivo geográfico el que da singularidad a
esta herramienta.
_________________________
1
“Lo que aportan los SIG de diferente respecto a otro tipo de sistemas de información, es su
dependencia de la referencia espacial como también su organización y su capacidad de
realizar análisis geográfico” (Obermeyer y Pinto, 1994).
7
1.1 Un intento de definición
Para comenzar a trabajar en cualquier materia, el primer paso debe ser el
establecimiento del marco conceptual donde vamos a movernos. Por ello se
debe intentar definir con la mayor precisión posible los Sistemas de Información
Geográfica; se comienza por sintetizar, organizar y resumir las diferentes
acepciones que existen de los SIG. El objetivo es crear un marco de referencia
básico que nos permita hablar de los SIG (Barredo, 1996).
Definiciones Globales. Son aquellas donde predomina la idea global y
abstracta de la técnica. Se atiende a los objetivos generales de los SIG, sin
especificar qué funciones realiza o los métodos concretos que utilizan. Son
definiciones donde importa menos el cómo y con qué, e interesa más el qué.
Bajo este contexto "un Sistema de Información Geográfica puede ser
considerado como una especialización de un sistema de bases de datos,
caracterizado por su capacidad de manejar datos geográficos, que están
georreferenciados, los cuales pueden ser visualizados como mapas" (Bracken
y Webster, 1992).
Definiciones Funcionales. Atienden a las tareas que pueden realizar. En
principio estos sistemas deben servir para un objetivo básico que es la
comprensión. La coincidencia en las funciones de los SIG es plena en todas las
definiciones dadas por los distintos autores, siendo las más repetidas las
siguientes: introducción, almacenaje, recuperación, análisis, modelado y
representación. Bajo este argumento, un SIG se pueden considerar como "una
colección de tecnología de la información, datos y procedimientos de captación
de información, almacenamiento, manipulación, análisis y presentación en
mapas y estadísticas sobre características que puedan ser representadas en
mapas" (Huxhold y Levisohn, 1995).
Definiciones Tecnológicas. Son aquellas que reflejan un interés especial por
la técnica utilizada; es decir, destacan el uso de la informática como medio para
8
el fin último: la comprensión de los datos espaciales. De forma general, en este
contexto un SIG se puede considerar como un "sistema digital para el análisis y
manipulación de todo tipo de datos geográficos, a fin de aportar información útil
para las decisiones territoriales" (Tomlinson, 1984).
No estaría concluido este apartado si no se esbozara una definición integral de
los Sistemas de Información Geográfica, que pretende centrar al lector en el
concepto sobre el que se trabaja. Un Sistema de Información Geográfica puede
definirse como un complejo sistema de hardware y software que tiene como
objeto la comprensión y análisis de datos espaciales georreferenciados, cuyo
fin último es ayudar a las diversas actividades humanas donde los datos
espaciales tienen un papel determinante.
Además de las propiedades que se pueden extraer de las definiciones
recogidas, incluidas en el texto o no, se deben señalar otros aspectos que
resumen o añaden ciertos matices a lo expuesto hasta ahora y que
caracterizan a los SIG.
1. La capacidad de visualización de información geográfica compleja a
través de mapas.
2. La funcionalidad de los SIG como una base de datos sofisticada, en la
que se mantiene y relaciona, información espacial y temática.
3. La diferencia con las bases de datos convencionales estriba en que toda
la información contenida en un SIG, está unida a entidades
geográficamente localizadas. Por ello en un SIG la posición de las
entidades constituye el eje del almacenamiento, recuperación y análisis
de los datos.
4. Son una tecnología de integración de información.
5. Se han desarrollado a partir de innovaciones tecnológicas habidas en
campos especializados, de la geografía y otras ciencias (tratamiento de
imágenes, análisis fotogramétrico, cartografía automática, etc.), para
constituir un sistema único, más adecuado que la suma de las partes.
9
6. Permiten unificar la información en estructuras coherentes y aplicar a la
misma una indumentaria variada de funciones: análisis, visualización,
edición, etc.
7. Este carácter integrador y abierto, hace de los SIG área de contacto
entre variados tipos de aplicaciones informáticas, destinadas al manejo
de información con propósito, y formas diversos; por ejemplo: programas
estadísticos, gestores de bases de datos, programas gráficos, hojas de
cálculo, procesadores de texto, etc.
8. Los límites y diferencias entre los SIG, los programas de diseño asistido
(CAD), los de cartografía temática y los de tratamiento de imágenes son
especialmente difusos. Aunque sus diferencias estriban sobre todo en el
modelo de datos y en las capacidades de análisis de información
espacial.
1.2 SIG y Geografía
El carácter interdisciplinario de los Sistemas de Información Geográfica es
destacado por muchos autores (Gutiérrez Puebla, J. y Gould, M., 1994). Son
innumerables las ciencias y disciplinas que aportan elementos a la construcción
de un SIG o que necesitan de la información y los resultados que del uso de él
se pueden obtener. Parece una obviedad afirmar que todas aquellas disciplinas
que precisan expresar propiedades relacionadas con el espacio acaban usando
herramientas cartográficas (Navarro et al., 2000). Delimitar el contenido,
naturaleza y ámbito científico de los SIG es una tarea problemática. Ello se
debe, en parte, a que la formación de los SIG procede de diferentes disciplinas
científicas; geografía, ciencias ambientales, biología, economía, informática,
ingeniería y otras, y también a la limitada aportación sobre la naturaleza de los
SIG desde su propio ámbito. Unas veces la expresión “Sistemas de
Información Geográfica” se utiliza en plural para referirse genéricamente a
todos los sistemas, otras veces se usa en singular para calificar a una
aplicación concreta (un SIG para la gestión del agua, de los recursos naturales,
etc.).
10
Pero si existe una disciplina que tenga una intensa y fructífera relación, tanto
en el momento de su construcción como en el de su utilización posterior, ésta
es sin duda la ciencia geográfica. Los SIG son cada vez más esenciales para la
geografía, pues ha significado un cambio muy importante en el tratamiento de
la información espacial.
1.3 Los componentes de los Sistemas de Información Geográfica.
Básicamente un SIG está estructurado por cuatro elementos fundamentales
que son: hardware, software, datos y usuarios (Barredo, 1996). El hardware o
el componente físico del sistema (Bosque,1992) se compone de una plataforma
de ordenador (estación de trabajo, PC, etc) y una serie de periféricos
englobados en dos grupos fundamentales; de entrada (teclado,
tabletas
digitalizadoras, etc.) y de salida (monitor, impresoras, plotter, etc). En cuanto al
software, “es el encargado de realizar las operaciones y las manipulaciones de
los datos” (Barredo, 1996); la facilidad de acceso, la capacidad de
almacenamiento y procesamiento, así como, la posibilidad de análisis
complejos, serán elementos esenciales a valorar en la calidad de un programa
SIG; cada vez es más numerosa la oferta de programas destacando tales como
Arcinfo, Idrisi, Mapinfo, Erdas, etc.
Los datos geográficos constituyen la base de todo el sistema; sin ellos no tiene
sentido ni el software ni el hardware, ni siquiera los usuarios. La dificultad en la
obtención de algunos y lo rápido que se convierten en obsoletos, provoca que
sea este elemento el más costoso de todos los componentes de un proyecto
SIG. Los datos pueden consumir el 70% de todo el presupuesto de un proyecto
(Barredo, 1996); el éxito del proyecto no está garantizado si no se tiene
asegurada la actualización periódica de los datos.
Los usuarios también tienen un papel importante en la configuración estructural
de un SIG. No tiene sentido una estructura bien montada que no esté pensada
para ser utilizada por personal específico. Hay dos tipos de usuarios; los
especializados y el público en general. Se denomina especializados a aquellos
técnicos que trabajan con los sistemas en algunas de sus fases (introducción
de datos, corrección, análisis, elaboración de cartografía, etc.), y que por ello
11
deben tener una formación especializada; y público en general sería aquel que
en algún momento tuviera que requerir información, sea la que fuese, de un
SIG concreto. En este caso no se requiere una gran formación, y la adaptación
debe estar en el sistema que debe ser amigable.
12
2. MODELACIÓN HIDROLÓGICA
2.1 Modelo y estructura de datos de los sistemas de información
geográfica.
2.1.1 La representación de los datos
Los datos SIG representan los objetos del mundo real (carreteras, uso del
suelo, latitudes, cuerpos de agua, etc.). Los objetos del mundo real se pueden
dividir en dos tipos: objetos discretos (localidades, lagos, ríos) y continuos
(precipitación, temperatura, elevación). Partiendo de esta premisa se puede
afirmar que existen dos grandes fórmulas para estructurar la información real
en un sistema informático, estas son el modelo raster y el modelo vectorial. En
la figura 2 se muestra la interpretación cartográfica de cada uno de estos
formatos.
Figura 1. Interpretación cartográfica vectorial (izquierda) y raster (derecha) de
elementos geográficos.
Los SIG que se centran en el manejo de datos en formato vectorial son más
populares en el mercado. No obstante, los SIG raster son muy utilizados en
estudios que requieran la generación de capas continuas, necesarias en
fenómenos no discretos; también en estudios medioambientales donde no se
requiere
una
excesiva
precisión
espacial
(contaminación
atmosférica,
distribución de temperaturas, localización de especies marinas, análisis
geológico, etc).
13
2.1.2. Modelos lógicos. Formato raster y vectorial
El modelo lógico hace referencia a como se muestrean y organizan las
variables y objetos para lograr una representación lo más adecuada posible.
Un Sistema de Información Geográfica almacena datos e información como
una colección de capas temáticas relacionadas espacialmente (Figura 2). La
definición de capas permite ordenar y jerarquizar los atributos a incluir en un
SIG. Las capas constituyen entonces piezas importantes del SIG y su definición
conceptual es un aspecto central en su diseño. Los SIG incluyen información
gráfica y geográfica de los atributos. La información geográfica contiene una
referencia geográfica explícita (latitud y longitud o una coordenada de otro
sistema, UTM por ejemplo) o una referencia implícita (el código postal).
CAPAS DE INFORMACIÓN
* Punto de salida de
la cuenca
* Estación
Hidrométrica
* Ríos
* Cuenca del río
Figura 2. Esquema general de un SIG indicando las capas temáticas que lo integran
El SIG funciona como una base de datos con información geográfica (datos
alfanuméricos) que se encuentra asociada por un identificador común a los
objetos gráficos de un mapa digital. La tecnología de los SIG tiene dos
componentes: el modelo de datos y las herramientas de consulta.
El modelo de datos en un SIG puede ser raster o vectorial. Las bases de datos
de tipo raster están compuestas por una retícula regular en la que cada celda
tiene asignado un valor discreto a modo de atributo (Chrisman, 1997). En el
modelo vectorial las entidades se definen por pares de coordenadas que
configuran puntos, líneas o límites de polígonos para regiones con un mismo
valor temático (Jones, 1997). Por supuesto, cada modelo presenta sus propias
ventajas e inconvenientes. Las bases de datos raster se caracterizan por ser
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muy simples y los cálculos sobre ellas bastante sencillos; sin embargo las
vectoriales poseen complejas estructuras y requieren sofisticados algoritmos
para el análisis (Borrough y Mcdonell, 1998). No obstante, los datos vectoriales
pueden ser almacenados compactados y visualizados con gran precisión, a
diferencia de lo que ocurre en el formato raster. Asimismo, estas
representaciones muestran el característico “efecto escalera” que se produce
en las imágenes digitales como consecuencia de la forma rectangular de las
celdas que componen la retícula.
2.1.3. Modelo de datos Vectorial
En un SIG, las características geográficas se expresan con frecuencia como
vectores, manteniendo las características geométricas de las figuras.
En los datos vectoriales, el interés de las representaciones se centra en la
precisión de localización de los elementos geográficos sobre el espacio y
donde los fenómenos a representar son discretos, es decir, de límites definidos.
Cada una de estas geometrías está vinculada a una base de datos que
describe sus atributos. Esta información puede ser utilizada para crear un mapa
que describa un atributo particular contenido en la base de datos.
Dentro de este modelo de datos se pueden definir dos tipos de representación
vectorial:
a) Vectorial topológico
Es el modelo de datos más clásico. En él se distinguen tres tipos de elementos
geográficos básicos para modelar digitalmente las entidades del mundo real:
puntos, líneas y polígonos.
Puntos. Los puntos se utilizan para las entidades geográficas que mejor
pueden ser expresadas por un único punto de referencia. En otras palabras: la
simple ubicación. Los puntos transmiten la menor cantidad de información de
estos tipos de archivo y no son posibles las mediciones.
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Líneas o Poli líneas. Las líneas unidimensionales o poli líneas son usadas
para rasgos lineales como ríos, caminos, ferrocarriles, rastros, líneas
topográficas o curvas de nivel. En los elementos lineales puede medirse la
distancia.
Polígonos. Los polígonos se utilizan para representar elementos geográficos
que cubren un área particular de la superficie de la tierra. Estas entidades
transmiten la mayor cantidad de información en archivos con datos vectoriales
y en ellos se puede medir el perímetro y el área.
Este modelo de datos es muy flexible, ya que para cada tipo de datos se puede
asociar una estructura. Por ejemplo, en la base de datos de una ciudad se
puede aplicar el modelo siguiente:
Tabla 1. Estructura de datos en el modelo Vectorial Topológico
CAPA
Parcelas
ESTRUCTURA
Polígono
Planeación
Polígono
Instalaciones
Puntos
(Semáforos, lámparas)
Red de Agua
Líneas
Jardines
Polígono
ATRIBUTOS
Edificado o no, tipo de uso, público
o privado, etc.
Edificable,
reserva
ecológica,
comercial, etc.
Tipo, potencia, marca, fecha de
instalación, etc.
Diámetro, material, presión
Vegetación, riego, temporal…
Fuente: Elaboración propia
Este modelo de datos, a pesar de su evidente flexibilidad, tiene ciertas
limitaciones a la hora de representar entidades complejas, como una carretera
que está compuesta de varios tramos, o una línea compartida por varios
niveles de información. Por ello en años recientes ha aparecido una serie de
extensiones, como tipos de datos complejos, que permiten modelar estas
entidades.
b) Vectorial no topológico
El modelo anterior tiene claras ventajas, pero obliga a mantener no sólo las
entidades (objetos), sino sus relaciones y, aunque los sistemas tengan
16
herramientas que nos permiten automatizar estas tareas, estamos imponiendo
un claro sobrecosto. Por ello se ha desarrollado una versión simplificada en la
que sólo se almacenan las entidades. Aunque esto facilita la creación y el
mantenimiento, limita el tipo de aplicaciones que se pueden realizar con el
sistema.
2.1.4 Modelo de datos raster
Un tipo de datos raster es en esencia, cualquier tipo de imagen digital
representada en mallas. El modelo raster o de retícula se centra en las
propiedades del espacio más que en la precisión de la localización. Divide el
espacio en celdas regulares donde cada una de ellas representa un único
valor.
Los datos raster registran valores para cada celda que pueden ser valores
discretos, como el uso del suelo, valores continuos como temperaturas, o un
valor nulo si no se dispone de datos.
Una representación de datos raster divide el espacio en cuadrículas del tamaño
que defina el usuario, y a cada cuadrícula se le asigna un valor. La resolución
del conjunto de datos raster es el ancho de la celda en unidades sobre el
terreno (km., m., etc.). En un modelo raster cuanto mayor sean las dimensiones
de las celdas, menor es la precisión (resolución) de la representación del
espacio geográfico. Este tipo de representación tiene la ventaja de poder
acercarse a la variable que se desee representar tanto como se quiera, pero
por el contrario, a más precisión, mayor es la ocupación de espacio en disco, y
aunque existen algoritmos de compresión, la representación raster siempre
ocupa más espacio que la vectorial.
2.1.5. Ventajas y Desventajas de los Modelos de Datos Vector – Raster
Por la gran cantidad de información que maneja en cada píxel, los modelos
raster necesitan poderosas computadoras y de una gran capacidad de
memoria virtual y de disco duro.
17
Sin embargo, las ventajas se presentan primeramente, en que el espacio es
definido de una manera uniforme y muy visual. Como resultado, los sistemas
raster tienen mayor poder analítico que el vectorial en el análisis del espacio
continuo, y por tanto, es idóneo para el estudio de fenómenos cambiantes en el
espacio como las variables que representan, el suelo, elevación del terreno,
índices de vegetación, precipitaciones, etc. (FAO, 2006)
La segunda gran ventaja del modelo raster es que su estructura se ajusta de
manera parecida a la de las computadoras. Como resultado, los sistemas
raster son más rápidos en la evaluación de problemas que impliquen diversas
combinaciones matemáticas (algebra de mapas). Es de nuevo, un excelente
medio para explicar modelos medioambientales como la erosión del suelo,
manejo y sostenibilidad del medio forestal. Además, desde que las imágenes
satelitales emplean estructura raster, hace que sea más fácil incorporarlas a los
GIS. Mientras que los sistemas raster están predominantemente orientados al
análisis espacial, los vectoriales son eficientes en el almacenamiento de
mapas.
En la tabla 2 se muestran un comparativo con las principales ventajas y
desventajas de los modelos raster y vectorial.
Tabla 2. Principales ventajas y desventajas de los modelos raster y vectorial
MODELO RASTER
Estructura de datos sencilla
VENTAJAS
MODELO VECTORIAL
Proporciona una estructura
de datos compacta, ocupa
menos memoria.
Codifica de manera más
eficaz
las
relaciones
La operación de superposición
topológicas entre elementos.
(overlay) se realiza de forma fácil.
Mejor para análisis de redes
(network).
Representa mejor la
variabilidad espacial.
elevada
Está diseñado para trabajar
con gráficos, coberturas de
Autocad.
Es necesario para el manejo y
modificación
de
imágenes
digitales y satélites.
18
Tiene una estructura de
datos más compleja que el
raster.
Ocupan más memoria
Relaciones
topológicas
difíciles de representar
DESVENTAJAS
más
Operaciones
de
superposición más difíciles
de obtener.
Los mapas resultan menos
“estéticos”, los límites resultan
más grotescos. Este fenómeno La representación de mapas
puede superarse reduciendo el con elevada variabilidad es
tamaño del píxel, pero incrementa ineficiente
en gran medida el volumen del
archivo.
Manejo
y
mejora
de
imágenes
digitales
y
satélites,
no
pueden
realizarse de una manera
eficaz
en
el
modelo
vectorial.
Fuente: Elaboración propia
Como conclusión debe decirse que ambos modelos, raster y vectorial, tiene sus
propias potencialidades y carencias, por lo que, los modernos SIG incorporan
elementos de ambas técnicas de representación, además de algoritmos que
permiten la conversión de un modelo a otro (FAO, 2006).
Hoy en día se tiende a compaginar ambos modelos, facilitado por el aumento
en la capacidad de los ordenadores. Se trata de representar los diferentes
fenómenos espaciales con el modelo de datos más apropiado en cada caso.
En líneas generales se pueden codificar las formas en un modelo vectorial y los
procesos con un modelo raster, para ello se requieren herramientas eficaces de
paso de un formato al otro. Resulta sencillo, finalmente, la visualización
simultánea de datos en los dos formatos gracias a la capacidad gráfica actual.
2.3. Importancia de los SIG en Modelaciones hidrológicas.
En el desarrollo económico de cualquier país constituye una necesidad
primordial el aprovechamiento sostenible de los recursos naturales, siendo éste
uno de los retos más importantes la planificación del uso del agua por su
19
distribución limitada sobre la superficie terrestre. Planificar el uso de los
recursos, por tanto, se convierte en un objetivo imprescindible en la actualidad.
La clave para la gestión sostenible de los recursos hídricos consiste en poseer
los conocimientos necesarios para tomar las decisiones apropiadas.
Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) se han convertido, gracias al
desarrollo de los medios informáticos, en una potente herramienta de apoyo a
la gestión de recursos naturales, constituyéndose durante los últimos veinte
años en una de las herramientas de trabajo más importantes para
investigadores, analistas y planificadores (Pantoja, et. al., 2010).
En los últimos años los SIG han alcanzado gran aplicación en el campo de la
hidrología, específicamente, en la gestión integrada de los recursos hídricos.
Estos programas permiten mejorar la representación de la variabilidad en la
componente espacial de sistemas naturales, como los hidrológicos, a partir de
la construcción de modelos espaciales. Es por ello que se han consolidado en
los últimos años como las herramientas más adecuadas para afrontar de forma
eficiente la modelación hidrológica.
Los modelos hidrológicos son representaciones matemáticas simplificadas del
sistema hidrológico real, que tienen como objetivo estudiar el comportamiento
del sistema y predecir sus salidas mediante un conjunto de ecuaciones que
conectan las variables hidrológicas de entrada y salida. Se han desarrollado
para suplir la falta de datos acerca de la cantidad, calidad o distribución en el
tiempo del flujo de agua en cuencas o sectores de cuencas hidrográficas y para
obtener un nivel de comprensión de los procesos hidrológicos inherentes, que
permita la realización de pronósticos a partir de datos climáticos (precipitación,
evaporación) y de diferentes parámetros físicos de la cuenca (topografía,
suelos, vegetación, etc.).
Los Procesos de Modelación Hidrológica son un conjunto de actividades o
eventos que se realizan con el objetivo de crear una representación ideal o
simplificada de la distribución, espacial y temporal de las propiedades del agua
(por ejemplo el contenido de nutrientes) presentes en la atmósfera y en la
corteza terrestre (Bernal, et.al.).
20
Particularmente en las cuencas, estas modelaciones permiten junto con otras
capas de información espacial determinar los parámetros de los modelos, tales
como largo de la cuenca, área de captación, pendiente promedio, tiempo de
concentración, etc. Los modelos hidrológicos pueden centralizarse en una, en
varias o en todas las secuencias que integran el ciclo hidrológico.
Existe una gran cantidad de programas de simulación hidrológica, que
últimamente tienden a integrar diferentes procesos que anteriormente se
estudiaban por separado y a combinar la modelación hidrológica con los SIG.
Estos sistemas cuentan con un gran número de funciones que le confieren una
elevada operatividad. Entre las más productivas podríamos destacar las
funciones de introducción de datos y análisis espacial. Por otra parte, algunas
de las funciones analíticas preprogramadas ya incluyen los cambios de escala,
reclasificación y transformación de datos, rutinas de interpolación, análisis de
proximidad,
superposición
y
combinación
de
capas
de
información,
operaciones de vecindad y un completo juego de operadores lógicos y
aritméticos.
En lo que se refiere a la modelación de la componente espacial de estas
herramientas, aceleran los procesos de desarrollo e implementación de
modelos hidrológicos. Los SIG pueden actuar a modo de plataforma para la
experimentación rápida de nuevas ideas y conceptos (elaboración de
prototipos).
Para un manejo adecuado del agua, la modelación hidrológica es una
herramienta de primera importancia a fin de entender los procesos involucrados
y simular respuestas a eventos particulares. Como varios parámetros con
variabilidad espacial influyen sobre la cantidad y la calidad del recurso agua, el
uso de los sistemas de Información geográfica (SIG) se vuelven esencial para
la gestión de las características espaciales del medio ambiente. Aunque el ciclo
del agua es un fenómeno espacio-temporal, los modelos hidrológicos de
cuenca, los modelos hidráulicos de ríos, los modelos de calidad del agua
dentro de los lagos por ejemplo, se apoyan principalmente sobre datos
temporales, mientras que los SIG están basados sobre la discretización del
espacio a un tiempo dado. Así, un vínculo entre los modelos hidrológicos y los
21
SIG parece ahora indispensable, varios niveles de integración siendo posibles:
la gestión de base de los datos espaciales, la extracción de parámetros
necesarios para el modelado hidrológico, la visualización cartográfica de los
datos de entrada y de salida del modelo, la modelación del flujo sobre el
terreno, asó como el desarrollo de una interfase entre el SIG y el modelo.
Actualmente existen diversos modelos de simulación lluvia-escurrimiento, para
lo cual un SIG facilita la constitución de los archivos necesarios para la etapa
de calibración. En particular, los datos fisiográficos necesarios (ocupación del
suelo, altitud, pendientes) se pueden extraer de los mapas digitales.
Sin duda, la calidad de los resultados depende de la exactitud, precisión y
resolución espacial de los datos de entrada. Sin embargo, la parte final del
proyecto generalmente permite evaluar la calidad de la fuente de datos y los
tratamientos geomáticos preliminares necesarios para optimizar este tipo de
modelaciones hidrológicas.
2.4 Utilidad de los Sistemas de Información Geográfica en Estudios
Hidrológicos
Genéricamente, los estudios hidrológicos pueden ser definidos como “aquellos
estudios encaminados al conocimiento de las características, generales o
específicas, dependiendo el caso y el objetivo concreto de los mismos, de una
cuenca determinada, con el fin de evaluar en base a ello sus aptitudes, su
vulnerabilidad y su capacidad de reacción frente a las diversas actividades
antrópicas”.
Los modelos de cuencas hidrológicas tienen cinco componentes básicos:
procesos hidrológicos (cuenca) y sus características, datos de entrada,
ecuaciones, condiciones iniciales y de frontera y datos de salida. Estos son
generalmente clasificados en base al método que usan para describir los
procesos hidrológicos, escalas espaciales y temporales, y condiciones
específicas o usos objeto de su diseño (Burns, IS., et al, n.d.).
De este modo se puede decir que la modelación hidrológica es la simulación
del flujo de agua de un área mediante programas computacionales, que
22
representan generalmente: entradas, demandas, pérdidas, almacenaje e
interrupciones de flujo.
Por todo lo anterior, los SIG, se han configurado en los últimos años como
herramientas útiles y cada vez más imprescindibles en el planeamiento
territorial, entendido éste en su sentido más amplio y partiendo del
conocimiento previo de numerosos aspectos que es preciso tener en cuenta en
el mismo (aspectos meteorológicos, topografía, etc.)
2.5. Aplicaciones de SIG a la Planificación Hidrológica
La planificación hidrológica de una cuenca, requiere de la utilización conjunta
de series de datos hidroclimatológicos procedentes de estaciones de
observación, situadas en puntos bien definidos y de información fisiográfica:
topografía, red de drenaje, vegetación, litología, suelos, etc., asociada al
dominio de la cuenca, así como de información sobre las infraestructuras
(embalses, canales, etc.) y las demandas y usos del agua: poblaciones,
industrias, abastecimiento, saneamiento, etc.
Este tipo de estudios se basa, por tanto, en la utilización de información
georreferenciada que tradicionalmente, debido a su complejidad (información
fisiográfica) y al volumen de datos (climatológicos e hidrológicos a escala
diaria, decenal o mensual) sobre todo en cuencas extensas, se ha tratado en
forma simplificada y que actualmente puede aprovecharse de manera más
rigurosa y completa mediante el uso de herramientas SIG.
23
3. APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA EN
MODELACIÓN HIDROLÓGICA.
3.1 Ejemplo práctico para la delimitación de cuencas hidrográficas con
ArcGIS. Herramienta Arc Hydro Tools
Tradicionalmente la delimitación de cuencas se ha realizado mediante la
interpretación de los mapas cartográficos. Este proceso ha ido evolucionando
con la tecnología. Hoy en día los SIG (por ejemplo ArcGis) proporcionan una
amplia gama de aplicaciones y procesos, que con entender los conceptos y
teoría, se puede realizar de una forma simple y rápida el análisis y delimitación
de una cuenca.
Una característica muy importante de ArcGis, es que permite calcular
automáticamente los parámetros morfométricos de una cuenca, lo que facilita
la evaluación del funcionamiento de un sistema hidrológico en base a un
conjunto de estimaciones lineales, de relieve y superficie, convirtiéndose en
una excelente herramienta en la planificación y toma de decisiones.
En este ejemplo, el usuario deberá realizar un análisis de drenaje en un modelo
de terreno. Las herramientas Arc Hydro se utilizan para derivar varios conjuntos
de datos, que describen los patrones de drenaje de una cuenca. El análisis
raster se realiza para generar datos sobre la dirección de flujo, acumulación de
flujo, definición de corriente, segmentación de arroyos, y la delimitación de
cuencas
hidrográficas.
Estos
datos
se
utilizan
para
desarrollar
una
representación vectorial de las cuencas y las líneas de drenaje. Usando esta
información se construye una red geométrica.
El propósito de este ejemplo es ilustrar paso a paso, cómo utilizar las
principales herramientas de Arc Hydro del SIG ArcGis. Para realizar un análisis
hidrológico con ArcGis, utilizando el modelo ArcHydro, en primer lugar se debe
contar con un modelo de elevación digital del área de estudio, el cual se puede
obtener de algún servidor gratuito (por ejemplo INEGI), o interpolar a partir de
coordenadas XYZ o curvas de nivel con ayuda de la herramienta 3D Analyst de
ArcGis. En este caso se utilizará el Continuo de Elevaciones Mexicano (2.0),
del Instituto Nacional de Geografía e Informática (INEGI), disponible en:
24
http://www.inegi.org.mx/geo/contenidos/datosrelieve/continental/continuoElevac
iones.aspx.
Para realizar dicho análisis se utiliza la herramienta Arc Hydro; para cargarla en
el programa siga las siguientes indicaciones:
-
En ArcGis abrir un documento nuevo en ArcMap.
-
Haga clic derecho sobre la barra de menú, para abrir el menú contextual que
muestra las herramientas disponibles y seleccione Arc Hydro Tools (el archivo
de instalación para ArcGis 10.1 está disponible en la página de internet:
http://search.esri.com/results/index.cfm?do=esri.index&start=0&DR=0&FILTER=
1&FILTERID=1&q=arc+hydro+for+10.1)
La barra de herramientas de Arc Hydro se muestra a continuación.
Para cargar el Modelo de Elevación Digital en ArcGis, se siguen los siguientes
pasos:
En la barra de herramientas hacer clic en el ícono que se muestra en la siguiente
figura (representado por un símbolo de más), enseguida se abrirá una ventana
en la que se debe navegar hasta la carpeta en la que se guardó el archivo.
Agregar Datos
Nombre del
Continuo de
Carpeta donde se
guardó el Contunuo
de Elevaciones
25
Al presionar el botón Add (agregar) se cargará el Continuo de Elevaciones,
visualizándose de la siguiente manera:
3.1.1. Corrección del modelo digital de elevaciones
Una de las primeras acciones y quizá de las más importantes que se debe
hacer al modelar cuencas con Arc Hydro y ArcGis, es la corrección del modelo
digital de elevaciones, ya que puede verse afectado por protuberancias
ocasionadas por pequeñas áreas cubiertas de bosques que alteran el patrón de
alturas,
especialmente
en
zonas
planas
donde
pueden
representar
ondulaciones inexistentes en la topografía, que luego afectarán la modelación
de la cuenca. Para hacer esto se siguen los siguientes pasos:
Paso 1. Para corregir los errores introducidos por la vegetación, se debe
recortar la imagen raster; para esto se abre la calculadora raster en la opción
Algebra de Mapas de la Extensión Spatial Analyst Tools del ArcToolbox, como
se muestra a continuación.
En la barra de herramientas hacer clic en el ícono que se muestra en la
siguiente figura (representado por una caja de herramientas roja):
En seguida se abrirá una ventana en la que se debe seleccionar la extensión
Spatial Analyst Tools y finalmente Raster Calculator:
26
En la ventana que aparece se escribe Veracruz_A=6000-[Veracruz.bil]. Esta
ecuación se utiliza para voltear el modelo digital de elevaciones; el valor 6000 es
un tanto mayor a la altura máxima registrada para el Estado de Veracruz.
El resultado se muestra a continuación.
Paso 2.
Ahora con ArcHydro se aplica la función Fill Sinks para llenar los
sumideros que se generan donde está la vegetación. Para ello en el menú de
27
ArcHydro vamos a Terrain Preprocesing seguido de DEM Manipulation y
finalmente Fill Sinks
En la ventana que se abre se introduce la siguiente información:
DEM: Se elige el DEM a corregir, en este caso se trata de Veracruz_A.
Deranged Polygon: Se deja la opción predeterminada Null.
Hydro DEM: Nombre del archivo de salida, se pone el nombre Veracruz_Fill
Dar clic en OK para iniciar el proceso, mismo que tardará varios minutos
dependiendo del tamaño del modelo de elevaciones. Al finalizar se obtiene el
resultado que se muestra a continuación.
28
Paso 3. Con el procedimiento anterior se han corregido los errores producidos
por la vegetación; ahora nuevamente se voltea el modelo de elevaciones
escribiendo en la calculadora raster la ecuación: Veracruz_C = 6000[Veracruz_Fill].
Con esto se obtiene el siguiente resultado.
29
Si se quiere conocer cuál es el error o la diferencia entre el modelo de
elevaciones original y el corregido, en la calculadora raster se escribe
[Veracruz.bil] – [Veracruz_C].
Paso 4. Después de realizar este procedimiento se generan otros sumideros por
efecto de la topografía, mismos que se deben corregir, para ello nuevamente se
utiliza la función Fill Sinks, de la siguiente forma.
En el menú de ArcHydro vamos a Terrain Preprocesing seguido de DEM
Manipulation y finalmente Fill Sinks
En la ventana que se abre se introduce la siguiente información:
DEM: Se elige el DEM a corregir, en este caso se trata de Veracruz_C.
Deranged Polygon: Se deja la opción predeterminada Null.
Hydro DEM: Nombre del archivo de salida, se pone el nombre Veracruz_Fill.
30
Con lo que se obtiene el siguiente resultado.
Con estos pasos se tiene un DEM hidrológicamente correcto, con lo que se
evitan errores como por ejemplo que en las regiones muy planas se generen
escurrimientos en lugares donde en la realidad no existen.
3.1.2. Delimitación de cuencas
Una vez que se tiene el modelo digital de elevaciones hidrológicamente
corregido con Archydro, se procede a la delimitación de las cuencas como se
describe a continuación.
Paso 1. Hallar la dirección de flujo, yendo a Terrain Preprocessing seguido de
Flow direction.
31
En la ventana que se abre, se debe colocar la siguiente información.
Hydro DEM: se introduce el último DEM corregido, en este caso
“Veracruz_Fill”.
Outer Wall Polygon: Null
Flow Direction Grid: “Flowdir”
El resultado obtenido es…
Paso 2. Una vez ejecutado este procedimiento, se calcula la acumulación de
flujo, para esto se abre la función Flow Accumulation en el menú Terrain
Preprocessing.
32
En la ventana se introduce la siguiente información
Flow Direction Grid: Con esto se indica el mapa de direcciones. En este caso
se denomina “flowdir”
Flow Accumulation Grid: es el nombre del archivo de salida “Flowacum”
Después de dar clic en aceptar, se obtiene lo siguiente.
Una vez que se calculan los raster de dirección y acumulación de flujo, se
utilizan como insumos para definir el raster de la red de drenaje y de cuencas de
acuerdo a los siguientes pasos.
Paso 3. Se define la red de drenaje de la siguiente forma: Terrain Preprocessing
seguido de Stream definition.
33
En la ventana que sigue se debe rellenar la siguiente información.
Flow accumulation Grid: Se introduce el nombre del raster de acumulación de
flujo. En este caso se denomina “flowacum”
Stream Grid: Es el nombre del archivo de salida. El cual es “Stream_Grid”
Number of cells: Es algo así como el número de celdas a lado y lado que
utiliza la herramienta para provocar la depresión del drenaje. Se deja el número
que muestra automáticamente.
Area (Square km): con esta opción se puede definir el tamaño de las cuencas
en Km2 y se puede modificar de acuerdo a las necesidades del estudio a
realizar.
Después de indicar la información solicitada y dar clic en OK, el resultado
obtenido es…
34
Paso 4. Se deben segmentar las corrientes yendo a Terrain Preprocessing
seguido de Stream Segmentation.
En la ventana que aparece se rellena la siguiente información.
Flow Direction Grid: Se introduce el nombre del raster de dirección de flujo. En
este caso se denomina “flowdir”
Stream Grid: Se indica el raster de corrientes creado antes. Para este ejemplo
es “Stream_grid”
Sink Watershed Grid: Null
Sink Link Grid: Null
Stream Link Grid: Nombre del archivo de salida. En este caso será
StreamLnk.
El resultado obtenido es…
35
Paso 5. Se delimitan las cuencas yendo a Terrain Preprocessing seguido de
Catchment Grid Delineation.
En la ventana que aparece se rellena la siguiente información.
Flow Direction Grid: Se selecciona el raster de dirección de flujo, cuyo nombre
es “flowdir”
Link Grid: Se debe seleccionar el raster de corrientes segmentadas calculado
en el paso anterior, cuyo nombre es StreamLnk.
Catchment Grid: Se introduce el nombre con el que se quiere guardar el raster
de cuencas, por ejemplo “CuencasRaster”
36
Se presiona OK para obtener el siguiente resultado…
Hasta el momento se han delimitado las cuencas en formato raster. En los pasos
siguientes se mostrará cómo obtener las cuencas y la red de drenaje en formato
shape.
Paso 6. Se convierten las cuencas a polígonos de la siguiente manera.
37
Aparece una ventana donde rellenamos lo siguiente…
Catchement Grid: Se selecciona el raster de cuencas que se ha calculado en
el paso 5 y que se ha denominado “CuencasRaster”.
Catchement: Introducimos el nombre con el que queremos guardar el shape
de cuencas, en este caso será “Catchment”
Al pulsar OK, se muestra en pantalla el shape…
Paso 7. Para convertir los drenajes a polilineas se abre Drainage Line
Processing en Terrain Preprocessing.
38
En la ventana que aparece indicamos lo siguiente…
Stream Link Grid: Se introduce el raster de drenaje segmentado que fue
calculado en el paso 4 y que se denominó “StreamLnk”
Flow Direction Grid: Se selecciona el raster de dirección de flujo calculado en
el paso 1 y cuyo nombre es “Flowdir”
Drainage Line: Se introduce el nombre con el que se quiere guardar el shape
de drenajes, en este caso “DrainageLine”.
El resultado es el siguiente…
De este modo finalmente se han determinado las cuencas y los drenajes
principales para una zona determinada, sin embargo se puede calcular una
cuenca específica para un punto de interés en particular, para esto necesitamos
además de las cuencas ya delimitadas, un archivo con los puntos en los cuales
39
se necesita delimitar las cuencas, para efectos de este ejemplo utilizaremos la
estación hidrométrica ubicada en la población de Ídolos, sobre la subcuenca del
río Ídolos, perteneciente a la cuenca del río Actopan, Ver.
3.1.3. Delimitación de una cuenca específica.
Paso 1. En el proyecto que se ha venido trabajando, se carga la capa con la
ubicación de la estación hidrométrica del río Ídolos.
Para esto se debe contar con una capa de puntos con las coordenadas X,Y
(latitud, longitud) donde se ubica la estación de interés. Se carga de la siguiente
manera:
En la barra de herramientas hacer clic en el ícono que se muestra en la siguiente
figura (representado por un símbolo de más), enseguida se abrirá una ventana
en la que se debe navegar hasta la carpeta en la que se guardó el archivo.
Agregar Datos
Nombre del
Continuo de
Elevaciones
Carpeta donde se
guardó el Contunuo de
Elevaciones
Al presionar el botón Add (agregar) se cargará la capa (puntos) con la
ubicación de la estación utilizada, visualizándose de la siguiente manera:
40
Haciendo un acercamiento se ve lo siguiente:
Ahora con ArcHydro, se selecciona el punto de la red de drenaje donde se va
a colocar el punto de concentración para la microcuenca, para ello se procede
de la siguiente forma:
En la barra de herramientas de ArcHydro, seleccionar Batch Point Generation
Luego dar clic sobre la red de drenaje, cerca del punto que representa la
ubicación de la estación hidrométrica del río Ídolos, con lo cual se abre una
ventana, donde se presenta la capa que va a guardar los puntos de
concentración que se necesitan, esa capa se denomina BatchPoint.
41
Al dar clic en OK se abre otra ventana donde se debe incluir la siguiente
información:
Name: El nombre para identificar el punto de concentración, en este caso
colocamos Río _Ídolos.
Description: una breve descripción de ese punto
BatchDone: si esta en cero indica a ArcHydro que es un punto que vamos a
agregar, si está en uno dice que este punto ya se ha trabajado
Snap On: Le decimos a la función que intente localizar el punto lo más
cercano a un cauce existente.
Al dar clic en OK se genera una capa con uno de los puntos, en este caso solo
contamos con un punto, sin embargo cuando son más se debe repetir el proceso
para cada uno. El resultado es el siguiente:
42
Para abrir la tabla de atributos del archivo generado se hace lo siguiente:
y el resultado es:
Una vez que los puntos han sido definidos, se procede a definir la cuenca (área
de influencia) de cada punto de interés. Para esto ArcHydro cuenta con dos
funciones:
Batch Watershed delineation. Que permite definir las cuencas donde es posible
que se traslapen las áreas delimitadas para cada punto señalado (en caso de
que sean varios puntos de interés).
Batch subwatershed delineation. Permite definir las subcuencas independientes,
sin que se traslapen.
Para definir cuencas completas, es decir sin que se traslapen en caso de ser dos
o más puntos, del menú Watershed Processing de ArcHydro, se selecciona
Batch subwatershed delineation.
43
Aparece una nueva ventana, donde debemos asegurarnos de seleccionar los
archivos correctos que fueron creados en la delimitación de cuendas para una
determinada región.
Flow Direction Grid: Archivo de dirección de flujo
Stream Grid: Raster de la red de flujo.
Batch Point: Archivo de puntos de concentración
Watershed y Watershed Point: son los nombres de los archivos de salida.
Al dar clic en OK el resultado es el siguiente:
De esta forma se ha delimitado una cuenca específica para el punto de interés
(estación hidrométrica del río Ídolos) con la herramienta ArcHydro para ArcGis
10.1 (Trial Version).
3.1.4. Presentación de resultados
El último paso de un proyecto de SIG es diseñar los mapas. Se puede dividir
este proceso en dos fases: preparación de las capas para su correcta
visualización gráfica y diseño del mapa propiamente dicho con todos aquellos
44
elementos necesarios para la mejor comprensión e interpretación de las capas.
La importancia del diseño de mapas es elevada debido a dos factores
fundamentales: por un lado los resultados de todo trabajo del proyecto deben
verse reflejados en los mapas (salidas gráficas), y por otro, el tiempo necesario
para realizar esta labor correctamente no debe menospreciarse, dado que es
largo en comparación con las demás fases.
En ArcGis, la fase de preparación de las capas se suele hacer trabajando sobre
la vista del mapa (Data View), y el diseño del mapa se hace trabajando en la
ventana del layout (Layout View). Podemos pasar de una ventana a otra
utilizando los botones de acceso que aparecen en la esquina inferior izquierda.
Las capas propias de ArcGis son:
Para ordenar correctamente las capas, y que no se tapen unas a otras, en la
tabla de contenidos se selecciona la pestaña List by Draw Order. Entonces se
arrastra con el ratón cada una de las capas a la posición que se haya definido,
regularmente las capas de polígonos deben quedar debajo de las capas de
líneas y puntos para evitar ocultarlas.
Para ejemplificar la presentación de resultados de un proyecto en ArcGis, se
utilizarán las capas que se han venido manejando a lo largo de este manual,
sumando una capa de isoyetas para la región de trabajo, con la que se pretende
ejemplificar cómo hacer un Clip (“recortar”) para manejar las capas de
45
información únicamente para la región de interés, en este caso la subcuenca del
Río Ídolos.
Paso 1. Cargar la capa de isoyetas para la zona de estudio, en este caso
contiene información de toda la cuenca del río Actopan.
En la barra de herramientas hacer clic en el ícono que se muestra en la siguiente
figura (representado por un símbolo de más), enseguida se abrirá una ventana
en la que se debe navegar hasta la carpeta en la que se guardó el archivo.
Agregar datos
Capas de
isoyetas
Carpeta donde se
encuentra el
archivo
Al presionar el botón Add (agregar) se cargará la capa de isoyetas,
visualizándose de la siguiente manera:
46
Paso 2.
Utilizar la herramienta Clip, que permite “recortar” las capas de
información (puntos, líneas y polígonos) de una capa basados en el perímetro
definido por el contorno de otra capa. Este proceso de hace de la siguiente
manera:
Primero se debe seleccionar el polígono que servirá como máscara para hacer
el corte de las capas, para esto se utiliza la herramienta Select Features, en la
barra de herramientas, se da clic en el ícono
, y posteriormente se da clic
sobre el polígono de interés. Una vez hecho esto, se verá así:
En la barra de herramientas hacer clic en el menú Geoprocesing seguido de Clip
En la ventana que aparece se introduce la siguiente información:
Input Features: Aquí debe ir la capa que se necesita cortar, para este caso la
capa de isoyetas.
47
Clip Features: Aquí debe ir la capa que servirá como límite para realizar el
corte, en este caso la cuenca del río Ídolos.
Output Feature Class: Indicar el directorio donde se guardará la nueva capa,
además del nombre que se le dará.
XY Tolerance: Se deja en blanco, como valor predeterminado.
Dar clic en OK.
Esperar unos minutos mientras realiza la operación e
inmediatamente después muestra la nueva cobertura resultante, que se verá del
siguiente modo:
Si se compara esta imagen con la de isoyetas para la cuenca del río Actopan, se
notará que ahora las isolíneas quedan delimitadas por la subcuenca del río
Ídolos, es decir únicamente tenemos información de precipitación dentro de este
polígono.
Este proceso se debe seguir tantas veces como capas de información se
necesite agregar al mapa de salida.
Paso 3. Preparación de las capas.
El mapa estará formado por un número de capas (layers) que pueden ser de
distintos tipos y orígenes. Una de las primeras decisiones que se tomarán es
qué capas van a formar parte de nuestro mapa. Algunas serán capas resultado
de nuestro proyecto particular (las cuencas delimitadas y las líneas de drenaje) y
otras (límites municipales, vías de comunicación, altimetría, etc.) serán capas
48
complementarias para poder ubicar correctamente los datos del proyecto. Habrá
que ordenar dichas capas para que no se tapen unas con otras, y por orden de
prioridad.
Los colores con los que se representa cada uno de los elementos deben
diferenciarse bien unos de otros. La simbología de las capas puede
representarse con colores sólidos, tramas de rayas puntos, símbolos e incluso
imágenes, de uno o más colores, sólidas o transparentes. Las combinaciones
tamaños y formas son múltiples y permiten superponer dos capas de polígonos;
se sugiere que a la capa de abajo se le un color sólido y a la de encima una
trama transparente.
Para cambiar la simbología, en la tabla de contenidos se da clic derecho en el
nombre de la capa para acceder a las propiedades de la misma, como se
indica a continuación.
Clic para abrir la
ventana Symbol
Selector donde se
puede cambiar el color
Una vez dibujados y coloreados los elementos del mapa será conveniente en
muchos casos etiquetar algunos de ellos. Las etiquetas son los nombres de las
cosas que aparecen en el mapa, tales como: nombres de municipios, ciudades,
ríos, lagos, carreteras, uso del suelo, etc. Estos nombres se pueden escribir
con diferentes tipos de letras, tamaños, colores y formatos.
Para crear las etiquetas se accede a las propiedades de las capas, en la
pestaña Labels
49
Se selecciona la manera en que se
quiere etiquetar los elementos de la
capa
Se selecciona el nombre de la
columna en la que se encuentras la
descripción de los elementos de la
capa.
Definir la
Formatos
ubicación de las
predefinidos de las
Definir la
etiquetas
etiquetas
escala de las
etiquetas
Se selecciona el formato de las
etiquetas (tamaño, tipo y color de la
letra)
Las etiquetas creadas directamente sobre la vista del mapa, pueden ser
manuales o automáticas.
Si se crean las etiquetas usando la herramienta de gráficos sobre el layout,
éstas no se comportan de la misma manera que las creadas sobre la vista del
mapa aunque se coloquen aparentemente sobre el mapa, serán simples
gráficos, no estarán georeferenciadas, su colocación es relativa a la hoja, son
poco seguras, no se tiene el control total, se pueden mover o borrar por
accidente, y no hay posibilidad de guardarlas en un archivo independiente de
gráficos solo se pueden guardar como parte del documento.
Paso 4. El layout: diseño del mapa.
En el layout se deben definir e incorporar todos o algunos de los siguientes
elementos:
a. Orientación y tamaño de la hoja, márgenes.
b. Título, textos, información cartográfica.
c. Leyendas, simbología
d. Escala gráfica, escala numérica.
e. Rosa de los vientos.
f. Cuadros con información del proyecto, logotipos de la empresa.
g. El grid o malla de coordenadas geográficas.
50
Cuando se cambia la vista de trabajo del Data View al Layout View aparece una
barra de herramientas que nos permite hacer zooms a la hoja sin modificar la
escala de impresión. En el layout sólo aparecerán las capas que sean visibles
en la vista del mapa.
Zoom a un
área de la
vista
Zoom 1:1
Pam
(mueve la
Zoom a la
vista
página
completa)
completa
Zoom en
base al
centro de la
vista
Vista
anterior / posterior
Modo
borrador
Zoom en
base a un
porcentaje
Cambia el
diseño de
Data Frame en
modo Focus
Páginas
controladas
por datos
a. Orientación y tamaño de la hoja, márgenes.
La orientación y tamaño del papel es el primer paso que hay que dar antes
de empezar a diseñar el layout. El tamaño del papel y, por lo tanto, la escala
a la que se imprimirá el mapa es un dato que se debe estudiar y conocer
desde el comienzo del trabajo o proyecto. Conviene bloquear la escala
cuando se trabaje en el layout y así evitar posibles errores accidentales.
La orientación y tamaño del papel se define en las propiedades del layout, en
Page and Print Setup, en el menú File como se muestra a continuación.
b. Leyendas, simbología.
Después de colocar y centrar el mapa en la página a la escala adecuada se
puede continuar insertando la leyenda. La leyenda se puede configurar en
multitud de aspectos: número de columnas, capas que queremos que
51
aparezcan representadas, formato de símbolos y letras, tamaño, etc. Si una
vez creada no ha quedado bien se puede configurar hasta que quede a
gusto de quien diseña el mapa. La leyenda, como otros elementos del
layout, es interactiva, esta gran ventaja permite que los cambios que se
hagan en las capas del mapa se actualicen en la leyenda del layout. Es
posible hacer más de una leyenda con distintas capas representadas en
cada una.
Para esto se despliega el menú Insert y se selecciona la opción Legend
Permiten agregar
una o todas las
capas
Capas cuya
simbología se
quiere agregar
al mapa como
leyenda
Capas que
se cargaron
al proyecto
Muestra una vista
previa del diseño
de la leyenda
Permiten
establecer en
cuántas columnas
se insertará la
leyenda
Permiten agregar
eliminar una o
todas las capas
Al presionar el botón Siguiente, se muestra la siguiente ventana, en la que se
establece el título de la leyenda y el formato del texto que se mostrará.
Una vez más, al presionar el botón Siguiente, se muestra la siguiente
ventana, en la que se puede definir características de la leyenda tales como:
color del fondo, tamaño, color y forma del marco, así como definir sombra de
la leyenda.
52
Al presionar el botón Siguiente, se muestra otra ventana que permite definir
el tamaño y la forma de los símbolos utilizados para cada capa.
Una vez definidas las características (forma, tamaño, color, etc.) de la
leyenda el programa permite definir los espacios entre los elementos que
forman la leyenda.
Al presionar el botón Finalizar, la leyenda será insertada en el layout, como
en el ejemplo siguiente.
53
c. Títulos, texto, información cartográfica.
Es posible añadir un título o un texto al mapa. El título, por defecto aparece
situado centrado en la parte superior de la hoja, aunque al igual que un
texto se puede desplazar y situar en cualquier posición. En el menú Insert
se encuentran las opciones Título y Leyenda.
Una vez que se insertaron, al dar doble clic en el texto se muestra la ventana
de Propiedades, en la que se puede determinar el tipo, tamaño y color de la
letra, así como el tamaño y posición del cuadro de texto.
d. Escala gráfica, escala numérica.
La escala es un elemento imprescindible en cualquier mapa. La escala gráfica
se puede usar siempre sin problemas, ya que al ser una escala relativa la
relación con el mapa no se ve afectada si al imprimir varía la escala absoluta
que inicialmente se había establecido. La escala numérica o absoluta (1:50
000; 1:250 000, etc.) también se debe poner en todos aquellos mapas
importantes de un proyecto, con la precaución de imprimir en los formatos
adecuados.
En el menú Insert se encuentran las opciones Scale Bar y Scale Text, con las
que se pueden insertar estos elementos al Layout
54
La ventana para insertar la escala gráfica se muestra a continuación
Permite
definir la
escala y las
Permite
definir el
número de
Permite
definir el
formato del
La ventana para insertar la escala numérica se muestra a continuación.
Permite
definir la
Permite
definir el
formato del
e. Rosa de los vientos.
La rosa de los vientos es un elemento orientativo que no debe faltar en un
mapa. La rosa puede colocarse en la hoja dentro o fuera del mapa, en una
esquina o junto a la escala, todo dependerá del gusto o preferencia del
diseñador cartográfico.
55
f. Cuadros con información del proyecto
Se utilizan para incluir información importante del proyecto como: proyección,
datum, equidistancia de las curvas de nivel, nombre de la empresa, número de
mapa, fecha, etc.
Es importante mencionar que los SIG no ofrecen cuadros prediseñados para
añadir información del mapa, pero se puede insertar texto como se indicó
anteriormente.
g. Grid o malla de coordenadas geográficas
El grid o malla de coordenadas es otro elemento fundamental, sin él sería
prácticamente imposible averiguar las coordenadas de un punto o localizar un
elemento dadas sus coordenadas.
Una vez que se insertan todos los elementos se ha terminado con el proceso
de diseño de un mapa de salida o Layout, obteniendo algo similar al que se
muestra a continuación.
56
57
4. Discusión y conclusiones
Las soluciones para muchos problemas frecuentemente requieren acceso a
varios tipos de información que sólo pueden ser relacionadas por geografía o
distribución espacial. Sólo la tecnología SIG permite almacenar y manipular
información usando referencias geográficas, analizar patrones, relaciones y
tendencias en la información, todo con el interés de contribuir a la toma de
mejores decisiones.
Los SIG ayudan en el estudio de la distribución y monitoreo de recursos, tanto
naturales como humanos, así como en la evaluación del impacto de las
actividades humanas sobre el medio ambiente.
Los Sistemas de Información Geográfica han tenido un enorme impacto en la
vida diaria dado que estos sistemas permiten un mejor entendimiento de
nuestro entorno (demográfico, geográfico, social, ambiental, etc.) y pueden ser
útiles al momento de tener que resolver un problema específico ya que la
manipulación de datos y la visualización nos permiten tener un mejor panorama
al momento de tomar decisiones.
La utilización de estos Sistemas como herramienta para la creación de modelos
hidrológicos conlleva ventajas y dificultades, sin embargo, en los últimos años
su utilización ha ido creciendo, observándose una gran diversidad en los
objetivos y resultados.
La aplicación de estos Sistemas en hidrología permite un manejo rápido y
sencillo de las redes de drenaje dado que se consiguen resultados adecuados
por la superposición de diferentes capas de información, tanto de tipo raster
como vectorial.
Dentro de las aportaciones de este trabajo, se pretende introducir a los
estudiantes del Programa Educativo de Ciencias Atmosféricas de la
Universidad Veracruzana, en el manejo de esta tecnología (SIG) con la
finalidad de facilitar en cierta medida el manejo de la información
hidrometeorológica.
58
BIBLIOGRAFIA
AESIGT (1993). Diccionario glosario de términos SIG. Madrid, AESIGT.
Aguamarket (2013). Diccionario de términos relacionados con el agua, en línea.
Aronoff, S. (1989). Geographic Information Systems:
Perspective. WDL Publications, Ottawa, Canadá, 294 págs.
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