Download Hidrosig Java - Facultad de Ciencias

Meteorología Colombiana
N6
pp. 65–71
Octubre, 2002
Bogotá D.C.
ISSN-0124-6984
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
Vélez, J., O. Mesa, G. Poveda, A. Borja, J. Ramírez, O. Hernández, J. Urzola & P. Arias. 2002: Hidrosig Java: una herramienta para la visualización y análisis de datos hidroclimatológicos. Meteorol. Colomb. 6:65-71. ISSN 0124-6984. Bogotá, D.C.
– Colombia.
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 cliente-servidor. 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.
Palabras clave: Sistemas de información geográfica, java, estaciones climáticas, hidrología, modelo digital de terreno, interpolación.
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, distributed without any cost under GNU license.
Keywords: Geographic information systems, java, climatic data, hydrology, digital elevation model, interpolation.
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 Pla-
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neación 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 Hidro-
SIG Java, para el inventario general de agua en el departamento de Antioquia. Más referencias sobre estos trabajos pueden ser encontradas en (UNALMED-UPME 2000;
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.
2.
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
(Fig.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
VELEZ et al: HIDROSIG JAVA: HERRAMIENTA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS
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.
3.
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.
4.
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
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mediante animaciones y visualización simultánea, teniendo acceso a series de tiempo en cada uno de los puntos
del mapa (Fig.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 (Fig.3). Todas ellas
apuntan a facilitarle al usuario de manera rápida y referenciada espacialmente, diferentes tipos de información
acerca de los datos registrados.
4.2.
Interpolación
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.
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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
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
(Fig.4). El resultado final es un archivo raster que puede
ser visualizado en HidroSIG Java.
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
VELEZ et al: HIDROSIG JAVA: HERRAMIENTA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS
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.
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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 (Fig.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, Poveda & Mesa (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 de índices calculados con la información hidroclimatológica de la base de
datos.
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.
Figura 4. Interfaz interactiva de triangulación
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Figura 5. Delineamiento de cuencas sobre un MDT y estimación del ciclo anual de los caudales
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 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.
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 a 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.
VELEZ et al: HIDROSIG JAVA: HERRAMIENTA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS
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.
PCTAA. 2001. Programa Cátedra del Agua de Antioquia,
Inventario de Cantidad y Calidad de Aguas en Antioquia
(Informe de Avance), Posgrado en Aprovechamiento de
Recursos Hidráulicos. Facultad de Minas.
UNALMED-UPME. 2000. Universidad Nacional de
Colombia Sede Medellín, Unidad de Planeación MineroEnergética, Atlas Hidrológico de Colombia (Informe
Final), Posgrado en Aprovechamiento de Recursos Hidráulicos. Facultad de Minas.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Fecha de recepción: 10 de diciembre de 2001
Vélez, J., G. Poveda & O. Mesa. 2000. Balances
hidrólogicos de Colombia, Universidad Nacional de
Colombia, Sede Medellín, Primera Edición.
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Fecha de aceptación:21 de febrero de 2002