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RESUMEN
La función de un Sistema de Información Geográfica (SIG) es la de mejorar nuestra capacidad para tomar decisiones. Un sistema de información es la cadena de operaciones que nos lleva desde la planificación de la observación y recolección de los datos hasta su almacenamiento y análisis, y luego a la utilización de la información obtenida en algún proceso de toma de decisiones. Un mapa es una colección de datos almacenados y analizados y la información derivada de este proceso se utiliza en la toma de decisiones.
Además, las herramientas SIG se pueden utilizar para narnerosas finalidades talas como realizar análisis de sensibilidad en los modelos mediante la manipulación de las variables de insumo, y estudiar una cuenca para distintas escalas/resoluciones y sus efectos en la exactitud de la predicción del modelo.
Finalmente, una ventaja importante de la utilización de una herramienta SIG, sería el ahorro considerable de tiempo, costo y mano de obra para realizar un estudio.
INTRODUCCION
Los problemas de contaminación del agua se han ido desplazando paulatinamente desde los puntos de origen tradicionales, tales como las ciudades, las fábricas, y las descargas de las plantas de tratamiento de aguas servidas, a fuentes no puntuales tales como el escurrimiento urbano y agrícola. Las fuentes no puntuales son responsables de al menos la mitad de toda la contaminación del agua (Chesters y Schieraw, 1985) y son los contribuyentes más importantes de materiales tales como sedimentos, nutrientes, bacterias patógenas, pesticidas, lluvia ácida y bifenil policlorinados (PCBs). De todas las fuentes no puntuales de contaminación, el sedimento representa el mayor volumen por peso de material transportado. Otros contaminantes pueden ser transportados en asociación con el sedimento (contaminantes absorbidos) o en solución (contaminantes solubles).
R.H. Griggs, C.A. Jones y R. Srinivasan
La erosión causada por el agua es más significativa que aquella causada por el viento. Los procesos responsables de la erosión hídrica son: desprendimiento, transporte y deposición de partículas de suelo. El desprendimiento es la separación de partículas de suelo, la que puede ser originada por la energía cinética del impacto de las gotas de la lluvia o por el desplazamiento provocado por la corriente de agua sobre las partículas del suelo. Una vez que una partícula de suelo sido desprendida, se encuentra disponible para su transporte. Las partículas de suelo pueden ser desplazadas en unos pocos milímetros, como en el caso de las removidas por la salpicadura de las gotas de lluvia, o transportadas cientos de kilómetros por el agua corriente. No todos los sedimentos llegan hasta los oceános; algunos son depositados en las bases de las laderas, en las represas, acequias y otros lugares.
Es necesario comprender los procesos de la erosión del suelo para reducir o eliminar eficientemente la erosión. El desarrollo y utilización de un modelo físico nos permite visualizar los factores que tienen influencia en el comportamiento de un sistema. Por ejemplo, en el control de la erosión del suelo se puede utilizar un modelo para estudiar los efectos de las distintas prácticas de manejo en la erosión del suelo, la calidad del agua o la productividad de los cultivos.
En el pasado, las estimaciones de la erosión del suelo se predecían utilizando ecuaciones obtenidas empíricamente, como la Ecuación Universal de Pérdida del Suelo (USLE) (Wischmeier y Smith, 1978). Recientemente los modelos de erosión de suelos y movimiento químico han sido basados en los procesos más importantes de erosión de suelos y movimiento de agua tales como el desprendimiento y transporte de partículas causado por la lluvia y el escurrimiento (Beasley, 1977). Mediante este tipo de modelo se trata de describir las razones del comportamiento observable del fenómeno en mayor detalle y lograr de este modo una mejor comprensión de los factores que influyen en la erosión del suelo y el movimiento químico. Los modelos desarrollados hasta la fecha han proporcionado una percepción significativa de los procesos de la erosión del suelo; sin embargo, tienen una serie de limitaciones que restringen su utilización.
Los factores que han limitado la adopción de modelos de simulación como herramientas de manejo son los siguientes: necesidad de ingresar una gran cantidad de datos, parámetros que son difíciles de medir o estimar, e imprecisión en el ingreso de datos. Los investigadores han demostrado con éxito que la integración de los modelos de simulación con bases de datos espaciales y codificación para minimizar el insumo requerido del usuario es factible para generar archivos de datos de ingreso para los modelos de simulación (Arnold y Sammons, 1989; Heatwole,1990; Shanholtz y Zhang, 1989). Además, los investigadores mostraron que el uso de modelos de simulación puede estar limitado en gran medida por los requerimientos de ingreso de datos (Austin, 1986; Bingner, 1990; Dingels, 1986).
Otro factor importante que limita la utilización de los modelos de simulación es la falta de ayuda proporcionada por los modelos para analizar los resultados simulados. Los programas complejos que se usan para estudiar la predicción de la erosión pueden proporcionar una cantidad abrumadora de datos para ser analizados aún en una microcuenca. Un análisis completo de la simulación resultante puede requerir mucho tiempo en el caso de una cuenca no homogénea, con una pluviosidad no uniforme.
El uso de gráficos para visualizar la variación espacial y temporal de los datos, tales como los de escurrimiento y cantidad de sedimento en la salida de la cuenca, acrecentará en gran medida la capacidad de los conservacionistas para realizar análisis adicionales y luego tomar decisiones apropiadas (Bingner, 1989; Shoup y Becker, 1985 Barringer et al., 1987).
Las herramientas mejoradas permiten a los ingenieros, administradores y planificadores evaluar el uso y manejo de la tierra, analizar los escenarios de la erosión y desarrollar planes de conservación de acuerdo con las necesidades. Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) y los modelos detallados de predicción de erosión y de movimiento químico basados en procesos, constituyen herramientas que pueden ayudar en los procesos de toma de decisiones en el campo de la planificación ambiental y de los recursos naturales.
Una de las razones más poderosas para implementar un enfoque automatizado de la planificación de recursos es la capacidad para cambiar con rapidez y facilidad las interrogantes, escenarios y supuestos. Los tipos de interrogantes están limitados únicamente por quienes elaboran las políticas y por los planificadores. Se puede realizar un análisis complejo en un tiempo breve (especialmente en comparación con el tiempo que se necesitaría para hacer cálculos manuales para un nuevo interrogante y luego confeccionar los mapas a mano), utilizando una combinación de análisis simple como la superposición de mapas y operaciones "booleanas" en SIG.
El objetivo de este documento es demostrar la integración de un SIG y un modelo de predicción de erosión y movimiento químico para ayudar en el proceso de toma de decisiones mediante la utilización de técnicas de visualización y análisis en los resultados del modelo.
SISTEMAS DE INFORMACION GEOGRAFICA (SIG)
La función de un sistema de información es la de mejorar nuestra capacidad para tomar decisiones. Un sistema de información es la cadena de operaciones que nos lleva desde la planificación de la observación y recolección de los datos hasta su almacenamiento y análisis, y luego a la utilización de la información obtenido en algún proceso de toma de decisiones. Un mapa es una colección de datos almacenados y analizados y la información derivada de este proceso se utiliza en la toma de decisiones.
El SIG es un sistema de información diseñado para trabajar con datos referenciados con coordenadas espaciales o geográficas. En otros términos, un SIG es tanto un sistema de base de datos con capacidades especificas para datos especialmente referidos, como una serie de operaciones para trabajar con los datos. En general, el SIG puede ser definido como una herramienta para recolectar, exhibir, manejar, analizar y producir datos especialmente reverenciados. Una capa de un mapa es un mapa geográfico en el cual cada ubicación está caracterizada por un solo tipo de dato (ej. suelos, elevación, o vegetación). Los estratos de datos SIG pueden considerarse como una pila de "mapas flotantes" con referencias espaciales comunes, lo que permite al usuario "mirar" hacia abajo y a través de los datos utilizando las capacidades de despliegue y análisis del SIG (Berry, 1987).
Los SIG se utilizan en una amplia variedad de situaciones. Los arquitectos paisajistas han acogido los conceptos del SIG por muchos años, analizando la idoneidad de los sitios y desarrollando capacidades de planificación para un uso específico. Los ingenieros civiles y arquitectos dedicados al desarrollo de grandes áreas tienen intereses y técnicas comparables, incluida la consideración de los impactos ambientales tales como la percepción del ruido y el obscurecimiento o cambio de las vistas. Los profesionales forestales usan esta tecnología para la confección de mapas y manejo de terrenos y para el seguimiento de plagas y enfermedades. Los planificadores de ciudades están utilizando el SIG para ayudar a automatizar la tasación de impuestos, el establecimiento de rutas para los vehículos de emergencia, y el mantenimiento de los servicios de transporte y tierras públicas.
Los administradores del medio ambiente y los científicos utilizan estos sistemas en actividades tales como el mantenimiento de un inventario de especies raras y amenazadas y de sus habitats, así como para el monitoreo de vertederos riesgosos. Por ejemplo, los SIG se están utilizando en la realización de estudios de los habitats de la vida silvestre (Tomlin et al. 1983 Davis y DeLain, 1986), de la contaminación de fuentes no puntuales (Gilliland y Baxter Potter, 1987), el cambio del uso de la tierra (Ross, 1985), manejo de las plagas forestales (Jordán y Vietinghoff, 1987) la erosión del suelo (Oslin et al. 1988), análisis de aptitud de uso del suelo (Berry y Berry, 1988), y en modelación hidrológica (DeCoursey, 1988).
Hay cinco elementos esenciales que debe contener un SIG (Knapp, 1978): adquisición de datos, preprocesamiento, manejo, manipulación y análisis, y generación de productos. Un análisis más detallado de estos elementos se encontrará en Star y Estes (1990).
ESTRUCTURAS DE DATOS
En un SIG se hace referencia a los datos espaciales como a un estrato de datos o mapa. Los estratos de datos pueden contener tres tipos básicos de entidades geométricas para codificar: puntos, lineas y polígonos. Los "puntos" tales como las ubicaciones de pozos petrolíferos y/o de agua, y las "líneas" tales como vías férreas o carreteras. Cuando se consideran regiones limitadas, tales como los limites de un campo o áreas de suelo, se llaman polígonos. Los datos no espaciales o atributos, son igualmente importantes. La profundidad hasta el acuífero y/o bajada puede constituir un ejemplo de dato no espacial para un dato de "pinto". Muchos SIG tienen capacidades especializadas para almacenar y manipular los datos atributos además de la información espacial.
Existen dos grandes clasificaciones en el almacenamiento y manipulación de los datos que son ampliamente utilizados en los sistemas de información geográfica: estructura reticular y vectorial de datos.
Cada uno de estos tipos tiene sus propias ventajas y desventajas para el manejo de la información espacial. En los siguientes párrafos se da una explicación breve de los detalles de estas dos estructuras de datos.
Estructura Reticular de Datos
En la figura 1 se encuentra la representación de un estrato de datos de estructura reticular. En una estructura reticular se desarrolla un valor para el parámetro de interés para cada célula en un conjunto (frecuentemente regular) en el espacio. La mayoría de los polígonos de datos de un área definida la almacena de esta manera. Por ejemplo, se podría almacenar la información sobre suelos de un área en el formato reticular. De este modo cada celda se referirá a una información única sobre el suelo. El tamaño o resolución de la celda o cuadricula variará de acuerdo con la exactitud de los datos y los requerimientos de aplicación. En general cuanto más pequeña la resolución mayor será la exactitud de los datos, pero a su vez serán mayores los requerimientos de memoria.
FIGURA 1 : "Ejemplo de un Estrato de Datos da Estructura Reticular"
La estructura reticular de datos podría considerarse como un conjunto de filas y columnas con un número de serie indicando el valor de un parámetro de interés. Por conveniencia, la dimensión horizontal del retículo más sencillo, a lo largo de los rangos del conjunto, frecuentemente se orienta en forma paralela a la dirección este-oeste y corre de izquierda a derecha. Las posiciones en el sentido vertical, que están en línea con las columnas del conjunto, con frecuencia se pintan en la pantalla de arriba hacia abajo orientándolas en dirección norte-sur.
El sistema de referenciación para las celdas en una retícula difiere de los sistemas tradicionales de georeferenciación tales como la latitud-longitud en que un punto específico de la superficie de la tierra es el origen. La mayor parte de los sistemas reticulares de datos usan el sistema Transversal Universal de Mercator,donde (en el hemisferio norte) el origen del sistema de coordenadas se encuentra en la esquina inferior izquierda, que es similar a un sistema convencional cartesiano. A menudo las distancias entre las celdas de una retícula son constantes, tanto en la dirección de las filas como de las columnas; en otros términos, las celdas en la retícula son cuadradas. En este caso, es natural almacenar los datos en el computador en una disposición bidimensional. La mayor limitación de este tipo de estructura de datos es el límite finito para especificar la ubicación. El parámetro se encuentra en una celda u otra -no hay nada entre medio. Esto es así debido a que la línea que separa las células adyacentes se considera infinitamente estrecha. Esta representación es apropiada para aplicaciones en recursos naturales, debido a que frecuentemente es difícil una representación absoluta del sistema.
Estructura Vectorial de Dalos
Un matemático podría definir un vector como una cantidad con una coordenada inicial, y un desplazamiento y dirección asociados. En una descripción de datos espaciales basados en vectores, el supuesto general es que un elemento puede ser ubicado en cualquier lugar, sin las limitaciones en cuanto a posición de un formato reticular. Las estructuras vectoriales de datos se basan en puntos elementales cuyas ubicaciones son conocidas con una precisión arbitraria, en comparación con las estructuras reticulares de datos. Como un ejemplo simple, para almacenar un círculo en las estructuras reticulares de datos, descritas anteriormente, uno podría encontrar y codificar todas las celdas reticulares cuyas ubicaciones correspondan con los limites del circulo. En un sistema basado en vectores, el círculo podría almacenarse eficientemente registrando la ubicación puntual del centro del círculo, y especificando el radio. De este modo, el sistema basado en vectores es más exacto en términos de representar los datos. Aunque las estructuras vectoriales de datos se representan de muchas maneras, la forma más popular de almacenar los datos vectoriales es una estructura de arco-nodo. La figura 2 da como ejemplo una representación de un estrato de datos estructurado voctorialmente.
En una estructura de datos de arco-nodo, los objetos en la base de datos se estructuran jerárquicamente. En este sistema, los puntos son los elementos básicos elementales. Los arcos son los segmentos lineales individuales que se definen mediante una serie de pares coordenados x-y. Los nodos se encuentran en los extremos de los arcos y forman los puntos de intersección entre los arcos. Es posible hacer distinciones entre los nodos en los extremos de las lineas, y los puntos que no están asociados con las líneas. Los polígonos son áreas completamente limitadas por una serie de arcos. De este manera, los nodos son compartidos por los arcos y los polígonos contiguos. Las estructuras arco-nodo permiten la codificación de la geometría de los datos sin redundancia. Contrariamente a lo que sucede con la estructura total del polígono, los puntos se almacenan sólo una vez.
INTEGRACION DEL SIG CON EL MODELO DE FUENTE NO PUNTUAL
El manejo de la contaminación de fuente no puntual (FNP) depende en gran medida de los modelos de simulación. La contaminación de fuente no puntual es de ubicación específica y constituye un problema de largo plazo. Generalmente, no es factible la evaluación de un manejo alternativo a través de experimentos, consecuentemente con frecuencia un estudio basado en un modelo es el único medio viable para proporcionar los insumos hasta las decisiones de manejo. La selección de medidas para reducir la erosión y prevenir la degradación de la calidad del agua es determinada por el uso de la tierra, la topografía y las propiedades del suelo, así como por factores socio-económicos. Sin embargo, en muchos casos la falta de experiencia, tiempo y dinero no permiten llevar a cabo una planificación apropiada para la conservación. Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) y los modelos de predicción de erosión y movimiento químico basados en procesos detallados constituyen herramientas que pueden ayudar en el proceso de toma de decisiones en la planificación ambiental y de recursos naturales. La cuantificación de los efectos sobre la calidad del agua es extremadamente difícil a nivel de cuenca; sin embargo, es de gran importancia para los responsables de la elaboración de las políticas para los recursos de agua y para sus usuarios. Los modelos de simulación son las mejores herramientas hasta la fecha en lo que respecta a la cuantificación de las cargas y concentraciones de contaminantes a escala de cuenca.
FIGURA 2 : "Ejemplo un Estrato de Datos Estructurada Vectorialmente"
Una de las mayores dificultades en la utilización de los modelos de contaminación FNP es su alto costo y el tiempo que se requiere para obtener los datos necesarios para preparar un modelo. La cantidad, tipo y complejidad de los datos para un modelo individual es variable. Un enfoque alternativo para recoger datos puntuales es extraer y/o derivar una parte de ellos de una base de datos espaciales. Una de las razones más poderosas para implementar un enfoque automatizado a la planificación de recursos es la capacidad para cambiar interrogantes, escenarios o supuestos, rápida y fácilmente. Los tipos de interrogantes están limitados sólo por los responsables de las políticas y los planificadores y la disponibilidad de datos. Es posible hacer un análisis complejo en corto tiempo (especialmente en comparación con el tiempo que se necesitaría para hacer manualmente los cálculos para un nuevo interrogante, y luego preparar manualmente los mapas), utilizando una combinación de análisis sencillos tales como la superposición de mapas y operaciones booleanas" en SIG.
En esta sección se discute la integración del SIG GRASS (Geographical Resources Analysis Support System) y un modelo de predicción de erosión y movimiento químico (AGNPS) para ayudar en los procesos de toma de decisiones mediante el uso de técnicas de visualización y análisis de los resultados de los modelos.
ENFOQUE DE INTEGRACION
En la figura 3, se muestra la visión que tiene el usuario del modelo de apoyo de decisión espacial, y las interacciones entre los distintos componentes del modelo. Los diversos componentes son la interface de insumo al modelo de contaminación FNP, interface de producto (visualización) al modelo de contaminación FNP, y las herramientas hidrológicas para facilitar las interfaces insumo/producto al modelo. Todos los componentes en este sistema son modulares e interactúan entre sí a través de la herramienta de interface del SIG, que sirve como la médula del sistema. La modularidad hace más fácil el desarrollo futuro, permitiendo la integración de nuevos componentes. Además, la modularidad proporciona varios otros beneficios, a saber: los módulos que se requieren para la integración del modelo de contaminación FNP y el SIG pueden ser utilizados por sí solos o por otros modelos hidrológicos, de erosión, y de procesos de movimientos químicos; los módulos son fáciles de modificar o reemplazar y es posible proporcionar módulos múltiples que realizan las mismas tareas, permitiendo el uso del mejor módulo para una aplicación particular.
HERRAMIENTA SIG
El SIG elegido fue el Sistema de Apoyo para Análisis Geográfico de Recursos (GRASS) (Ejército de EE.UU., 1987). Es un SIG reticular, de dominio público y desarrollado por la División Ambiental del Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Construcción del Ejército de EE.UU., Champaign, Illinois. El GRASS también es capaz de realizar algunas operaciones vectoriales, procesamiento de imágenes, y producción de gráficos. El GRASS es un paquete de modelaje y análisis reticular gráfico para fines generales, inicialmente desarrollado para los planificadores de tierras y ambiente en instalaciones militares. El GRASS es altamente interactivo y con orientación gráfica (2-D y 3-D), y que proporciona herramientas para el desarrollo, análisis y despliegue de información espacial. En los Estados Unidos es ampliamente utilizado por numerosas agencias gubernamentales, universidades y organizaciones comerciales.
FIGURA 3 : "Visión del Usuario del Modelo de Apoyo de Decisión Espacial"
Una de las razones primarias para el uso del GRASS en esta aplicación son sus capacidades de SIG reticular. Otra, es que el GRASS está escrito en el idioma de programación C, y está diseñado para facilitar el desarrollo de programas adicionales por la disponibilidad del código de todo el programa, incluidas subrutinas de programas convenientes que proporcionan interfaces con los datos y con el usuario. Además, el GRASS está siendo utilizado por numerosos grupos, incluido el USDA (Departamento de Agricultura de los EE.UU.) y el SCS (Servicio de Conservación del Suelo). Esto no sólo ayuda a asegurar la disponibilidad de bases de datos compatibles, sino que el producto concordará con los esfuerzos de otras agencias e investigadores asociados con la hidrología y la erosión. El GRASS tiene la flexibilidad suficiente para ser utilizado para una variedad de aplicaciones. Los estratos de datos pueden ser transportadas desde y hasta varias otras plataformas SIG.
HERRAMIENTAS HIDROLOGICAS/HERRAMIENTAS SIG BASICAS
Se utilizaron varias herramientas SIG básicas y/o de otro tipo genérico para desarrollar las interfaces SIG de la contaminación FNP (ya sea en la interface de insumo en el AGNPS-GRASS o la interface de producto AGNPS-GRASS [Visualización]), con el fin de mantener hasta donde fuera posible la modularidad de la estructura del sistema de apoyo de decisión espacial (figura 3). Se puede clasificar las herramientas en una de dos categorías:
Como se vio anteriormente, debido al diseño modular todas estas herramientas se pueden utilizar como módulos individuales o se pueden integrar con otros módulos herramientas dentro de un ambiente SIG. Todas las herramientas fueron desarrolladas utilizando la herramienta SIG GRASS e integradas al GRASS como parte del lenguage-G.
Diseño del esquema de la interface insumo y producto.
La disposición de la interface insumo y producto fue diseñada cuidadosamente adaptándola a las necesidades del usuario, después de varias modificaciones a través de un período de tiempo. La interface de insumo AGNPS-GRASS no utiliza pantalla gráfica o despliegues gráficos. Consiste de una interface no gráfica simple (Terminal ASCII) que promueve los insumos no espaciales necesarios al modelo. La interface de insumo imprime mensajes diagnósticos para mostrar el progreso que representa la creación de un archivo de insumos para hacer funcionar el modelo AGNPS. Cada vez que la interface de insumo encuentra un error en la ejecución, se imprime un mensaje de error y el programa se detiene. Como se explicó en los párrafos anteriores, la interface de insumo utiliza muchas rutinas de herramienta hidrológica, cuya naturaleza es modular. Es prudente recordar que la interface de insumo AGNPS-GRASS probablemente producirá un archivo de insumo AGNPS "operable". Por ejemplo, los datos de elevación, especialmente la dirección del flujo, deberá ser inspeccionado visualmente y corregido con las herramientas GRASS descritas anteriormente, para obtener un archivo de insumo AGNPS "operable". Como se dice generalmente con respecto al SIG y los modelos de simulación, la calidad del producto no excederá la calidad y uso inteligente de los insumos utilizados para crearlos. Aunque las interfaces de insumo y producto AGNPS-GRASS disminuyen el nivel de experiencia requerido para operar el AGNPS, no excluirán enteramente la necesidad de una comprensión del SIG, las relaciones espaciales, la hidrología y la erosión.
La interface de producto AGNPS-GRASS, también llamada la herramienta de visualización, es una herramienta para analizar visualmente el producto de los modelos de contaminación FNP (en este caso es el modelo AGNPS). La interface de producto AGNPSGRASS ha sufrido varias modificaciones, desde que fue inicialmente diseñada y desarrollada. La mayor parte de las modificaciones se hicieron en la interface y el despliegue de la pantalla, y los arreglos para despliegues. La interface de producto AGNPS-GRASS ha participado en diversas evaluaciones de contaminación FNP.
RESUMEN Y CONCLUSIONES
Cada vez se usan más los SIG para estudiar el movimiento de sedimentos y nutrientes en una cuenca utilizando los modelos de contaminación FNP. El SIG se utiliza para extraer datos de insumos reverenciados el modelo de contaminación FNP y para visualizar 108 resultados del modelo FNP con referencias espaciales y no espaciales. Esta técnica ha resultado ser la manera más eficaz y eficiente para estudiar una cuenca en un plazo breve. Utilizando la herramienta de visualización o herramienta de interface de producto GRASS-AGNPS, se podría analizar fácilmente una multiplicidad de escenarios en forma Simultánea y desplegar los diversos resultados en la pantalla. Las herramientas SIG resultan más poderosas cuando se integran con los modelos FNP para recolectar, manipular analizar y desplegar los datos espaciales y no espaciales.
Además, las herramientas SIG se pueden utilizar para numerosas finalidades tales como realizar análisis de sensibilidad en los modelos FNP mediante la manipulación de las variables de insumo, y estudiar una cuenca para distintas escalas/resoluciones y sus efectos en la exactitud de la predicción del modelo FNP.
Finalmente, una ventaja importante de la utilización de una herramienta SIG, sería el ahorro considerable de tiempo, costo y mano de obra para realizar un estudio.
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