HIDROSIG JAVA: UNA HERRAMIENTA PARA LA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DE DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS

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1 Meteorología Colombiana N 6 pp Octubre, 2002 Bogotá D.C. ISSN 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: ISSN 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-

2 66 METEOROLOGÍA COLOMBIANA N 6, OCTUBRE 2002 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 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

3 VELEZ et al: HIDROSIG JAVA: HERRAMIENTA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS 67 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 ( 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. HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS 4.1. 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, Hidro- SIG 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 (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 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.

4 68 METEOROLOGÍA COLOMBIANA N 6, OCTUBRE 2002 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 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

5 VELEZ et al: HIDROSIG JAVA: HERRAMIENTA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS 69 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 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 (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) 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

6 70 METEOROLOGÍA COLOMBIANA N 6, OCTUBRE 2002 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 De esta manera, HidroSIG Java es un software de distribución gratuita y que está disponible para ser adquirido por medio de la Internet en 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, Hidro- SIG 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.

7 VELEZ et al: HIDROSIG JAVA: HERRAMIENTA VISUALIZACIÓN Y ANÁLISIS DATOS HIDROCLIMATOLÓGICOS 71 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. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Vélez, J., G. Poveda & O. Mesa Balances hidrólogicos de Colombia, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín, Primera Edición. PCTAA 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 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. Fecha de recepción: 10 de diciembre de 2001 Fecha de aceptación:21 de febrero de 2002