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HidroSIG Java: Una Herramienta para la Visualización y Análisis de Datos
Hidroclimatológicos
Jaime Ignacio Vélez, Oscar José Mesa, Germán Poveda Jaramillo, Andrés Felipe Borja,
Jorge Mario Ramírez, Olver Olfrey Hernández, Jheison Alberto Urzola,
Paola Andrea Arias
Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia
Palabras clave: Sistemas de Información geográfica, Java, Estaciones climáticas,
Hidrología, Modelo digital de terreno, Interpolación.
Resumen
Se describen los aspectos y herramientas principales del sistema de información
geográfica HidroSIG Java, desarrollado en el marco del proyecto Atlas Hidrológico de
Colombia. HidroSIG Java es una aplicación construida en lenguaje de programación Java
que permite la visualización, manipulación y análisis de variables distribuidas
espacialmente, con herramientas especiales para realizar estimaciones de variables
hidrológicas y el análisis de series climatológicas. Con HidroSIG Java es posible visualizar
interactivamente y en una interfaz amigable, la información climatológica de tipo raster,
vectorial y puntual contenida en una extensa base de datos con un modelo clienteservidor. HidroSIG Java analiza modelos digitales del terreno y realiza estimaciones
hidrológicas a partir de mapas de variables climáticas. HidroSIG Java permite al usuario
desplegar series de datos de estaciones hidroclimatológicas y realizar análisis
estadísticos teniendo en cuenta variables macroclimáticas. Debido al lenguaje de
programación utilizado, HidroSIG Java es una aplicación multiplataforma y gratuitamente
distribuida bajo licencia pública GNU.
Abstract
General features and tools of the Geographical Information System HidroSIG Java are
described. This GIS system was created within the frame of the project “Atlas Hidrológico
de Colombia”. HidroSIG Java is an application developed in Java and allows visualization,
manipulation and analysis of spatially distributed variables, it also has special tools for
estimating hydrological variables and climatological data series. With HidroSIG Java is
possible to visualize interactibly and in a friendly interface, information of various types:
raster, punctual and vectorial, all conatined in a large server-client modelled database.
HidroSIG Java analyzes digital elevation models and performs hydrologic estimations from
maps of climatic variables. HidroSIG Java allows the user to deploy data series taken from
climatic variables and perfor statistical analysis taking into account macroclimatological
effects. Due to the programming language used, HidroSIG Java is a multiplatform
application and,distribuited without any cost under GNU license.
1
INTRODUCCIÓN
La utilización de sistemas de información geográfica (SIG) para el análisis y estimación
automatizada de variables hidroclimáticas y geomorfólogicas, ha probado ser una
estrategia ágil y que arroja buenos resultados a varias escalas temporales y espaciales.
Es así como el Posgrado de Recursos Hidráulicos de la Universidad Nacional de
Colombia y la Unidad de Planeación Minero-Energético del Ministerio de Minas y Energía,
sintieron la necesidad de crear un SIG propio con herramientas orientadas hacia la
cuantificación del recurso hídrico disponible en territorio colombiano. A partir de esta
necesidad surgió el software HidroSIG Java, cuyas características y herramientas
principales se describen en este documento.
En general, HidroSIG Java es un sistema de información geográfica desarrollado en
Java y que permite la visualización interactiva de variables distribuidas espacial y
temporalmente, además de proporcionarle al usuario herramientas para realizar
estimaciones cualitativas y cuantitativas con respecto a la información desplegada. Esta
información puede ser de tipo raster, vectorial o puntual, y está contenida en una base de
datos accesible por el usuario.
En la primera parte de este artículo se describen algunas de las herramientas que
HidroSIG Java incluye para la visualización de la información desplegada. La segunda
sección describe la implementación del motor de base de datos que utiliza HidroSIG Java
para el manejo de la información. Las metodologías implementadas en las herramientas
de análisis se describen en la tercera sección; estas incluyen análisis de campos y datos
climatológicos, estimaciones de parámetros geomorfológicos sobre modelos digitales de
terreno y estimaciones cuantitativas de escorrentía y erosión, además de la descripción
del módulo de interpolación contenido en HidroSIG Java. Por último, en la cuarta sección
se describe las condiciones de adquisición, uso y actualización que HidroSIG Java le
ofrece al usuario.
Como aplicación, HidroSIG Java ha sido utilizado en el marco del proyecto Atlas
Hidrológico de Colombia, y ha probado ser un medio efectivo para realizar estimaciones
de disponibilidad del recurso hídrico a escala regional. Actualmente, el programa Cátedra
del Agua utiliza HidroSIG Java para el inventario general de agua en el departamento de
Antioquia. Más referencias sobre estos trabajos pueden ser encontradas en (UNALMEDUPME 2000 y PCTAA 2001).
Es necesario anotar acá, que la programación del software y todo el trabajo científico
detrás de la información contenida en la base de datos que HidroSIG Java contiene por
defecto, han sido llevados a cabo por el grupo de investigación Atlas Hidrológico de
Colombia, este ha sido merecedor de varios premios de investigación a nivel Nacional y
está compuesto en su mayoría por estudiantes de pregrado de la Universidad Nacional de
Colombia.
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VISUALIZACIÓN
HidroSIG Java utiliza la librería VisAD de Java para la generación y el manejo de los
objetos gráficos, ésta librería consiste en un conjunto de clases que le brindan al usuario
la posibilidad de visualizar interactiva y colaborativamente datos numéricos. Se puede
obtener
información
completa
sobre
VisAD
y
sus
aplicaciones
en
http://www.ssec.wisc.edu/~billh/visad.html.
Así, a través de su interfaz principal y con la ayuda de VisAD, HidroSIG Java permite
desplegar uno o varios mapas de cualquier resolución en dos y tres dimensiones (ver
Figura 1) y, sobre cada uno de los mapas desplegados, el usuario puede modificar
interactivamente la visualización mediante zoom, rotaciones y movimientos del mapa en el
plano; además de la posibilidad de ajustar la paleta de colores de manera interactiva y en
tiempo real. Tanto la información general de cada mapa como sus datos puntuales están
disponibles al clic; además de esto, el usuario puede calcular distancias y visualizar la
variación de la variable desplegada a lo largo de polígonos arbitrarios mediante la
herramienta de perfiles.
Figura 1. Visualización de mapas en dos y tres dimensiones.
Además de la información raster, HidroSIG Java permite importar información vectorial
tal como límites políticos, costas y cuencas, y visualizarla superpuesta sobre cualquier
mapa. De igual manera, se pueden definir sitios de interés (municipios, estaciones de
medición, bocatomas, etc.), ubicarlos sobre un mapa y desplegar la información
cuantitativa y visual que esté disponible sobre el sitio en la base de datos.
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BASE DE DATOS
Por defecto, HidroSIG Java utiliza una extensa base de datos con información centrada
en Colombia, recopilada por el Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos y
proveniente de diversas fuentes. Esta base de datos contiene modelos digitales de
terreno y mapas de diversas variables hidroclimatológicas a diferentes escalas, para un
total de aproximadamente 1500 mapas que describen de buena manera la realidad física
colombiana. Además de los mapas, la base de datos incluye registros de más de 7500
estaciones de toma de datos climáticos, y está diseñada para realizar búsquedas rápidas
por medio de interfaces amigables con el usuario.
HidroSIG Java se comporta como un cliente JDBC de una base de datos. Esto permite
que los datos sean migrados a cualquier base de datos, sin que esto implique
modificaciones drásticas sobre el código. Para mantener el carácter de software libre, se
ha decidido montarlo inicialmente sobre MySQL® (http://www.mysql.com). Al estar la
base de datos de HidroSIG Java concebida en un modelo cliente-servidor, permite que
varios usuarios se encuentren al tiempo trabajando sobre los datos realizando
operaciones de lectura, borrado, inserción o actualización, sin que esto genere pérdidas
de información o problemas de concurrencia.
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4.1
HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS
Análisis de variables climáticas
Debido a que las estimaciones hidrológicas que HidroSIG Java realiza, dependen de la
distribución espacial de las variables climáticas involucradas en los balances, HidroSIG
Java le permite al usuario almacenar y analizar la distribución espacio-temporal de una
cantidad ilimitada de variables climáticas. Ésta información puede ser de dos tipos,
campos distribuidos espacialmente y representados en estructura raster, o series de
tiempo de estaciones climátológicas puntuales.
Una variable climatológica distribuida espacialmente, tal como la precipitación o la
intensidad del brillo solar, es representada como un mapa o una serie de mapas.
Mediante el uso de varios mapas asociados temporalmente, el usuario puede visualizar la
dinámica de la variable mediante animaciones y visualización simultánea, teniendo
acceso a series de tiempo en cada uno de los puntos del mapa (ver Figura 2).
Las estaciones climatológicas de toma de datos, forman una parte esencial de la base
de datos de HidroSIG Java, permitiendo al usuario acceder a series de tiempo de
estaciones distribuidas sobre todo Colombia, las cuales pueden ser insertadas por él
mismo o hacer parte de la información recopilada por el Posgrado de Recursos
Hidráulicos de la Universidad Nacional durante los últimos años. Además de los datos de
estaciones de medición, HidroSIG Java incorpora series de tiempo de variables
macroclimáticas sobre las cuales se tenga evidencia de impacto en la hidrología
colombiana; entre estas variables están incluidas: el índice de oscilación del sur, la
temperatura del atlántico Norte, la temperatura del trópico global, entre otras.
Las herramientas que HidroSIG Java le brinda al usuario para analizar series de tiempo
climáticas y macroclimáticas, incluyen: ubicación espacial sobre mapas y acceso a la
información de la estación al clic; visualización de la serie de datos, ciclo anual, diagrama
de barras, espectro de Fourier y parámetros estadísticos básicos; cálculo de
autocorrelograma y funciones de correlación con las series de variables macroclimáticas
(ver Figura 3). Todas ellas apuntan a facilitarle al usuario de manera rápida y referenciada
espacialmente, diferentes tipos de información acerca de los datos registrados.
Figura 2. Ubicación de estaciones sobre un mapa de Antioquia y visualización del diagrama de
barras para una de las series registradas.
Figura 3. Análsis simultáneo de mapas de precipitación para Colombia.
4.2
Intepolación
Debido a la necesidad de obtener campos de información distribuida a partir de
información puntual, de manera tal que estos campos presenten comportamientos físicos
consistentes con la variable que representan, HidroSIG Java contiene un módulo que
incluye diversas técnicas geoestadísticas y adaptativas de interpolación, que involucran
no sólo la información puntual, sino también variables secundarias o de apoyo que
contienen relaciones físicas directas con el campo resultante. Éstas técnicas son tales
que entregan resultados coherentes con las dinámicas de las variables a interpolar,
respetando, en la medida de lo posible, la información real suministrada.
Las técnicas de interpolación contenidas en HidroSIG Java se basan en algoritmos de
entrenamiento a partir de redes neuronales, en la técnica de triangulación lineal y en la
combinación de ambas. Algunas de las metodologías consideran variables de apoyo o
derivas que aportan información para la obtención del campo de la variable a interpolar,
además de que permiten la posibilidad de regionalizar el comportamiento de la variable.
Estas metodologías son: Redes Neuronales Adaptativas, Redes Neuronales Adaptativas
con Subregiones, Triangulación Lineal y Triangulación con Deriva.
El módulo de interpolación de HidroSIG Java permite la interacción con el usuario ya
que éste suministra la información puntual y las variables de apoyo requeridas, además
de que define los parámetros considerados por cada una de las metodologías hasta
obtener un resultado satisfactorio. También le permite al usuario visualizar la triangulación
realizada facilitando la detección de información errónea y de problemas en la
interpolación (ver Figura 4). El resultado final es un archivo raster que puede ser
visualizado en HidroSIG Java.
Figura 4. Interfaz interactiva de triangulación.
4.3
Análisis de Modelos Digitales de Terreno
Aquellos mapas cuya variable raster es la elevación sobre el nivel del mar, reciben el
nombre de Modelos Digitales de Terreno o MDT. Partiendo de un MDT, y basándose en
los conceptos de corriente y cuenca, se puede conocer información muy valiosa acerca de
la geomorfología y la distribución superficial del agua sobre una región. Es así como
HidroSIG Java contiene un módulo propio de procesamiento y análisis de MDT; este
módulo está conformado por un conjunto de clases que estiman en cada punto del mapa
la dirección hacía la cual fluye el agua, y a partir de éstas direcciones, permiten trazar
aproximadamente tanto la red de drenaje formada por las corrientes, como las líneas que
delimitan las cuencas del MDT.
Para visualizar, manipular y analizar esta nueva información, HidroSIG Java le permite
al usuario crear y almacenar tanto las corrientes como las divisorias de las cuencas,
simplemente haciendo clic en el punto del MDT que le interese. Además de esto, en
HidroSIG Java se automatizaron varios procedimientos para estimar algunas de las
características geomorfológicas más relevantes de una cuenca y su respectiva red de
drenaje; esto se hace mediante la creación de nuevos mapas asociados al MDT y un
reporte geomorfológico en el cual se presentan visualmente varios parámetros que usa la
ingeniería en la clasificación y estudio de las cuencas.
4.4
Estimaciones hidrológicas
Sobre cualquier cuenca para la cual se tenga información hidrológica en la base de
datos, HidroSIG Java permite realizar estimaciones cuantitativas de escorrentía y tasas de
erosión. La estrategia básica se denomina balance hidrológico y consiste en lo siguiente:
se delimita la cuenca sobre un MDT y se seleccionan de la base de datos los mapas de
la variable hidrológica que se quiera cuantificar, luego HidroSIG Java utiliza una técnica
de triangulación sobre el polígono determinado por la divisoria de la cuenca, y
posteriormente, se integra la variable de los mapas seleccionados sobre el área
triangulada. Con este procedimiento se puede calcular el caudal promedio anual que
produce una cuenca y la tasa anual de sedimento que la erosión sobre la cuenca aporta a
su corriente principal.
Con una estrategia similar a la anterior, HidroSIG Java realiza estimaciones de los
caudales máximos y mínimos que se esperan en una cuenca para una distribución de
probabilidades y un período de retorno dados; así mismo, se puede refinar el balance
hidrológico y estimar los valores de los caudales medios a escala mensual (Figura 5).
Las metodologías que HidroSIG Java usa para las estimaciones hidrológicas han sido
bien documentadas y sus resultados validados en diferentes publicaciones nacionales e
internacionales. Referencias completas pueden ser encontradas en Vélez (2000).
4.5
Otras herramientas
Una de las herramientas que hace de HidroSIG Java un sistema de información muy
funcional, es la calculadora de mapas. Esta herramienta permite realizar operaciones
aritméticas, estadísticas y lógicas entre mapas y valores numéricos corrientes. La
calculadora es especialmente útil para realizar estadística descriptiva sobre mapas y para
generar nuevos campos a partir
hidroclimatológica de la base de datos.
de
índices
calculados
con
la
información
Figura 5. Delineamiento de cuencas sobre un MDT y estimación del ciclo anual de los caudales.
Con el objetivo de integrar a HidroSIG Java a la familia de sistemas de información del
mercado, se han desarrollado módulos de importación de mapas y archivos vectoriales en
formatos estándar. De esta manera HidroSIG Java le permite al usuario crear sus propias
variables raster provenientes de mapas en formato de Idrisi® y archivos vectoriales DXF
de Autocad®, e ingresarlos en la base de datos. Estas herramientas amplían
dramáticamente la cantidad de información que el usuario puede analizar a través de
HidroSIG Java.
Es importante decir que los análisis que HidroSIG Java permite realizar son totalmente
independientes de la resolución y la escala a la cual fueron construidos los mapas. De
esta manera, procesos como la integración de variables o las operaciones de la
calculadora de mapas, pueden ser realizados en mapas de tamaños y resoluciones
diferentes.
5
DISTRIBUCIÓN Y ACTUALIZACIONES
Debido a que fue desarrollado usando el lenguaje de programación Java, HidroSIG
Java es una aplicación multiplataforma y, dado que no usa código fuente suministrado por
ninguna entidad con ánimo de lucro, su adquisición está sujeta a una licencia de
distribución libre regida por las normas GNU (ver http://www.gnu.org). De esta manera,
HidroSIG Java es un software de distribución gratuita y que está disponible para puede
ser adquirido por medio de la Internet en http://hidraulica.unalmed.edu.co/hidrosig. En
esta misma página, y a través del centro de actualizaciones, se pueden adquirir las
últimas modificaciones del software y complementar la base de datos. La instalación de
HidroSIG Java requiere de por lo menos 300 MB de memoria disponible en disco y entre
128 y 256 MB de memoria RAM.
6
CONCLUSIONES
En este artículo se describieron las características que hacen del sistema de información
geográfica HidroSIG Java, una herramienta funcional especializada en el análisis de
información climatológica y la cuantificación de la disponibilidad del recurso hídrico.
En principio, HidroSIG Java es un SIG, y como tal, debe satisfacer unas necesidades de
manejo y despliegue de datos. De esta manera se mostraron sus capacidades como
plataforma para la visualización y análisis de diferentes tipos de información distribuida
espacialmente y, en particular, la manera como HidroSIG Java permite una interacción
directa del usuario con la visualización de los datos. Con respecto al manejo de la
información, se usa una conexión a una base de datos por medio de JDBC bajo un
esquema de cliente-servidor.
Se describieron las herramientas que HidroSIG Java le ofrece al usuario para extraer
información a partir de los datos contenidos en series climáticas y macroclimáticas.
Además de un módulo de interpolación que contiene técnicas basadas en algoritmos de
redes neuronales adaptativas y en la triangulación lineal, las cuales han mostrado
resultados satisfactorios.
Se mostró como, mediante el análisis de modelos digitales de terreno y la técnica del
balance hidrológico, HidroSIG Java le permite al usuario realizar buenas aproximaciones
para cuantificar escorrentía y tasas de erosión a diferentes escalas espaciales y
temporales. Además, se describieron otras herramientas útiles que HidroSIG Java incluye
y que, primero, hacen más amigable la aplicación para el usuario y, segundo, amplían la
cantidad de información que éste puede extraer de los datos.
Por último, se hizo énfasis en las ventajas que HidroSIG Java tiene con respecto su
distribución y actualización. Así, debido al lenguaje de programación utilizado, y al hecho
de que la totalidad del código fuente de HidroSIG Java es de acceso libre o fue escrito por
participantes del proyecto; la aplicación y su base de datos son de distribución libre, y
pueden ser actualizadas a través de Internet.
De esta manera, primero, las capacidades de visualización y manejo de datos hacen de
HidroSIG Java un sistema de información competente; y, segundo, las posibilidades para
la cuantificación del recurso hídrico, en conjunto con otras herramientas que HidroSIG
Java brinda, tales como el análisis de series de tiempo y la calculadora de mapas, marcan
una gran diferencia entre este software y la mayoría de los sistemas de información del
mercado.
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REFERENCIAS
Velez, J. I., G. Poveda, O. Mesa, Balances hidrólogicos de Colombia, Universidad
Nacional de Colombia, Sede Medellín, Primera Edición, 2000.
PCTAA. Programa Cátedra del Agua de Antioquia, Inventario de Cantidad y Calidad de
Aguas en Atioquia (Informe de Avance), Posgrado en Aprovechamiento de Recursos
Hidráulicos. Facultad de Minas, 2001.
UNALMED-UPME. Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, Unidad de
Planeación Minero-Energética, Atlas Hidrológico de Colombia (Informe Final), Posgrado
en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos. Facultad de Minas, 2000.