SISTEMA ESPACIAL DE SOPORTE PARA LAS DECISIONES AMBIENTALES EN LAS MONTAÑAS DE CUBA

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1 SISTEMA ESPACIAL DE SOPORTE PARA LAS DECISIONES AMBIENTALES EN LAS MONTAÑAS DE CUBA CUBA MOUNTAINS ENVIRONMENTAL DECISION SUPPORT SYSTEM Ricardo Delgado Tellez 1, Dr. Edel García Reyes 2, Arisleydis Peña de la Cruz 3, Lázaro René Matos Martín. 4 1 Órgano de Montaña Nipe Sagua Baracoa, Cuba, Limonar de monte Ruz, El Salvador Guantánamo, Cuba 2 Centro de Aplicación de Tecnologías Avanzadas (CENATAV), Cuba, 3 Centro Meteorológico Provincial Guantánamo, Cuba, 4- Órgano de Montaña Nipe Sagua Baracoa, Cuba, RESUMEN En el trabajo se esbozan los fundamentos generales de un Sistema Espacial de Soporte de Decisiones operativo a para los gobiernos municipales de las regiones montañosas de Cuba. El sistema propuesto involucra un conjunto de actores y módulos tecnológicos que deben permitir a los especialistas en diferentes esferas del gobierno realizar análisis rápidos y razonablemente precisos de problemas de decisión que involucren múltiples criterios y gran número de opciones con referencias geográficas. La para el desarrollo de software, se utiliza la plataforma desarrollada por Supermap Software Co. LTD. El trabajo explica la estructura del sistema así como los avances realizados en el proyecto que se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Hasta el momento se han realizado análisis de problemas relacionados con la planificación territorial del cultivo del coco utilizando el proceso analítico jerárquico como modelo de decisión, aunque la información existente permite desarrollar otros estudios en otras esferas como la protección de recursos naturales, la prevención de riesgos y la mitigación de desastres naturales. Como resultado de los experimentos realizados se considera apropiada la estructura del sistema, así como la utilización del Supermap Gis como herramienta de desarrollo y aplicación de Desktop. Palabras Clave: SIG, Sistema Espacial de Apoyo a las Decisiones, Decisión Multicriterio, Supermap, Cuba. ABSTRACT In the work there are outlined the general essentials of an operative Spatial decision support system to for the municipal governments of the mountainous regions of Cuba. The proposed system involves a set of actors and technological modules that must allow to the specialists in different spheres of the government to realize rapid analyses with reasonably precision of decision problems that involve multiple criteria and big number of options with geographical references. For the software development, the platform developed by Supermap Software Co Ltd is used. The work explains the structure of the system as well as the advances realized in the project that is in the first development stages. Until now there have been realized analyses of problems related to the land planning of the coconut crops, using Analytic Hierarchy Process as multicriteria decision tool, although the existing information allows to develop studies in other spheres like the protection of natural resources, the prevention of risks and the mitigation of natural disasters. As result of the realized experiments the structure of the system its considered to be appropriate, as well as the election of Supermap GIS as development base and GIS desktop tool. KeyWords: GIS, Spatial Decision Support System, Multicriteria Decision, Supermap, Cuba. 1. INTRODUCCIÓN Las Oficinas para la Atención al Desarrollo Integral de la Montaña, Órganos de Montaña, son instituciones creadas por decisión gubernamental en La labor principal de estas instituciones es apoyar el desarrollo sostenible de las regiones categorizadas como de importancia estratégica para el futuro de la humanidad como las montañas y humedales[1]. En específico estas instituciones se ocupan de obtener y mantener información para la toma de decisiones en las regiones definidas por la ley [2] en cuestiones de desarrollo económico social, protección de recursos naturales y mitigación

2 de riesgos de desastres naturales entre otros. Existen seis Órganos de montaña operando actualmente en las regiones montañosas de cuba, en su conjunto el territorio bajo su responsabilidad incluye la mayoría de las áreas claves de conservación de biodiversidad y la totalidad de las regiones montañosas del país. A causa de lo anterior, los Órganos de montaña deben interactuar con gran cantidad de gobiernos locales e instituciones de alcance nacional y apoyarlos en la solución de los conflictos que se derivan de las metas de desarrollo sostenible. La planificación del uso productivo del suelo es una actividad clave para el desarrollo sostenible. En las regiones montañosas dependientes de la producción agrícola adquiere una importancia que excede los límites de la comunidad local debido a la fragilidad y complejidad del ecosistema y las consecuencias potenciales de políticas de desarrollo equivocadas para recursos estratégicos, como el agua potable, en una escala geográfica muy superior. Los Sistemas Espaciales de Apoyo a las Decisiones (inglés SDSS) como se llama en la literatura especializada a la integración de los Sistemas de Información Geográfica (GIS) y los Modelos de Soporte de Decisión (DSM)[3], son uno de los instrumentos más completos que pueden utilizarse para apoyar a los decisores en este tema[4, 5]. Experiencias como los Sistemas de Información Geográfica para las Regiones Especiales de Desarrollo Sostenible[6] y el SIG municipal del municipio Yagüajay[7] son referentes obligados en esta esfera. El Órgano de montaña del macizo Nipe Sagua Baracoa trabaja actualmente de conjunto con la empresa de la República Popular China Supermap GIS ltd., en un proyecto a largo plazo destinado a proveer a los gobiernos locales con SDSS adaptados a sus necesidades específicas. Nuestro objetivo es exponer los resultados actuales del proyecto y las perspectivas de desarrollo futuro de este tema en nuestro entorno geográfico. 2. METODOLOGÍA 2.1 Esquema general El esquema general de la solución de problemas de planificación territorial utilizando SDSS incluye cuatro aspectos fundamentales: a. Formulación del problema en términos de la información geográfica disponible. b. Procesamiento de los datos para compatibilizarlos c. Aplicar un proceso de integración d. Generar resultados adecuados. Primero el problema debe ser formulado en términos de datos topográficos, medioambientales o socio económicos (o más probablemente una combinación de ellos). El objetivo que se persigue en esta etapa es encontrar los datos más significativos para el problema bajo análisis de todos los disponibles. Debe tenerse en cuenta la disponibilidad de los datos a un costo razonable así como las restricciones de tiempo y exactitud impuestas por los decisores para obtener resultados utilizables. En segundo lugar, los datos deben ser procesados para eliminar las incompatibilidades originadas por el origen heterogéneo de los datos. [3]. Usualmente los datos son no comparables (incompatibles) entre si por motivos geométricos y de escala o por su significado. Los SIG cuentan con una serie de herramientas matemáticas para solucionar las incompatibilidades geométricas y de escala, aunque implican usualmente la perdida de información en el proceso. En el caso del significado, la situación es más compleja. Uno de los métodos más utilizados por los investigadores es transformar los mapas de variable en mapas de criterio aplicando un conjunto de funciones que representen una aproximación de la preferencia de los expertos o decisores expresadas en forma de valores relativos [3, 8]. Otro método menos usado es la utilización del método conocido como análisis materiaelemento para encontrar una solución más formalizada desde el punto de vista matemático [9]. El tercer paso implica integrar los mapas de criterio o variable para obtener uno o varios mapas de decisión. El método utilizado debe tener en cuenta la opinión de los decisores y/o expertos para obtener los resultados. Los métodos de modelación multicriterio se encuentran entre las formas de modelación más comunes, en los últimos años se ha explorado con creciente interés la rama de las matemáticas conocida como soft computing para manejar problemas de difícil formalización[10]. El cuarto paso implica la utilización de funciones propias de los GIS y los Sistemas de Gestión de Bases de Datos (DBMS) para generar mapas y tablas de análisis. Las salidas pueden presentarse en forma de una propuesta de decisión o un conjunto de escenarios de donde el decisor pueda elegir. La gran cantidad de incertidumbre que se introduce en los pasos anteriores, hace que sea deseable algún tipo de evaluación de la misma. 2.2 Funcionamiento del sistema El SDSS propuesto en este trabajo está integrado por cuatro módulos de tecnologías de información (IT) y sus interacciones con un conjunto de actores. La figura 1 muestra un esquema simplificado de las interrelaciones necesarias entre acto- VI Congreso Internacional de Geomática. 2

3 res y módulos IT para el funcionamiento del sistema. El funcionamiento expuesto corresponde a un modelo general orientado a decisiones estratégicas como la planificación territorial en las cuales la participación y el consenso son importantes. Con diferentes interacciones se pueden construir modelos orientados a aplicaciones de alerta temprana y predicción de desastres naturales. Trd PARTIES DSF EDSdb LOCAL GOVMT DM Module GIS-A DS Module STAKEHOLDERS EXPERTS Mapping Module Fig. 1: Esquema de funcionamiento del SDSS En el esquema las líneas gruesas representan las interacciones principales en el proceso de decisión; con líneas discontinuas se representa el flujo de la información en el modelo y las líneas continuas representan las interacciones de los actores Actores Los actores se describen a continuación con las principales funciones de cada uno en el SDSS. Analistas de SIG (GIS-A). El propósito de los analistas SIG es brindar soporte de IT al proceso y garantizar la calidad de la información desde el punto de vista espacial. Deben dominar las disciplinas de IT relacionadas con los SIG y los suficientes elementos de cartografía digital para actualizar datos a partir de fuentes externas en diferentes soportes y generar mapas digitales e impresos[3, 11]. Facilitador de soporte de decisiones (DSF). El propósito del facilitador de soporte de decisiones es apoyar a los decisores en la construcción y solución de los modelos de decisión, así como facilitar el trabajo de grupo y la elaboración de la documentación resultante. Debe conocer el fundamento teórico de los modelos de decisión que emplee, así como las herramientas de gestión de proyectos, consultoría organizacional y tener conocimientos básicos de SIG. Expertos. Los expertos son especialistas de alto nivel en sus temáticas específicas, tanto desde el punto de vista formal como práctico. Su utilización es ad hoc en dependencia del problema analizado y sus objetivos. Los expertos pueden aportar información relevante sobre procesos naturales o sociales; crear o mejorar modelos de decisión; actuar como pronosticadores etc. Es necesario que los expertos sean lo mas independientes posible al participar en el proceso[3, 12]. Gobierno local. Dadas las condiciones de Cuba, en la que el gobierno es propietario o influye fuertemente en la mayoría de la actividad productiva, el gobierno actúa en el modelo como decisor. Las decisiones pueden ser de ejecución directa sobre las empresas bajo control gubernamental o a través de incentivos y regulaciones a los agricultores privados son propietarios de una proporción significativa de las tierras de cultivo no forestal. Otros actores (stakeholders). Estos otros actores son comunidades de campesinos, cooperativas, empresas estatales y distintos organismos de la administración pública y la sociedad civil. En las condiciones de la montaña cubana, la base económico-productiva principalmente en manos de pequeños productores privados organizados en cooperativas de producción o créditos. Las decisiones tomadas afectan los intereses de estos otros actores, por lo que deben ser incluidos en el proceso de decisión. Terceros. Los terceros en el modelo son empresas e instituciones estatales que tienen como misión propia la ejecución estudios cartográficos, medio-ambientales, socio-económicos etc. Estos estudios constituyen la materia prima para los modelos de decisión por lo que se deben establecer estándares comunes basados en la plataforma proporcionada por la infraestructura nacional de datos espaciales de Cuba Módulos IT Para la definición de los Módulos IT, se analizaron dos opciones de software GIS que incluyen plataforma de desarrollo. ARCGIS/ARCOBJECTS 1 ; SUPERMAP 2 ; y se consideró además la utilización de software GIS licenciado como OpenSource VI Congreso Internacional de Geomática. 3

4 Después de analizarse las condiciones y las expectativas del proyecto se decidió la utilización de la plataforma SUPERMAP, como el mejor compromiso entre esfuerzo de desarrollo y costo involucrado (sin descontar las negativas consecuencias del bloqueo estadounidense que impide adquirir el software y soporte técnico de ESRI). A continuación se definen brevemente los módulos IT del proyecto. 1-Base de datos geoespacial de soporte de decisiones medio-ambientales (EDSdb). En la EDSdb debe estar contenida la información relevante para utilizar sistemas espaciales de soporte de decisiones. Adicionalmente la base de datos debe incluir normas de actualización, mantenimiento, seguridad de datos y ser compatible con la infraestructura nacional de datos espaciales (para efectos prácticos se puede considerar un subconjunto de la Base de datos geoespacial de soporte de decisiones medio-ambientales de Cuba). Estará soportada en el modelo Supermap DB con las funciones de importación/exportación de datos espaciales necesarios. Para el almacenamiento se priorizará el modelo de datos vectorial con las proyecciones estándar de Cuba (LCC). La EDSdb será operada fundamentalmente por analistas SIG. 2-Módulo de manipulación de datos (DM). El modulo de manipulación de datos tiene la función de transformar los datos en mapas de variables adecuados al modelo de decisión que se utilice. El modulo de manipulación de datos debe incluir un sistema flexible de generación de consultas, contener funciones de conversión vector-raster, estadística descriptiva zonal y local, creación de máscaras de análisis y calibración de datos raster. 3-Modulo de Soporte de Decisiones (DS). El módulo de soporte de decisiones debe contener los modelos matemáticos y la interfaz de usuario necesaria para la interacción de los decisores, asistidos por facilitador o no y permitir análisis de sensibilidad de las decisiones. Desde el punto de vista técnico debe estar integrado en la mayor medida posible a los otros módulos para facilitar la operación del sistema. Este es uno de los módulos más complejos pues debe permitir ser operado por decisores independientes que no necesitan contar con profundos conocimientos sobre modelos de decisión o tecnologías de la información. 4-Modulo de mapas (mapping). En el modulo de mapas se prepara el resultado final que puede consistir en mapas orientadores para decisores o descriptores de las decisiones tomadas. Las salidas del modulo de mapas deben ser tanto en formato digital como en copia dura y debe contar con las funciones necesarias para elaborar mapas visualmente atractivos e informativos. La figura 2 muestra la estructura tecnológica del SDSS y su relación con el software Supermap. (SDB: Supermap Database; SMD Supermap Deskpro; SMO: Supermap Objects; SMM: Supermap Mobile; SMV: Supermap viewer). Como puede observarse el modulo de soporte de decisiones necesita ser desarrollado aprovechando los modelos de decisión disponibles Fig. 2: Modulos IT En la primera fase de aplicación se utilizan las herramientas GIS de supermap objects para la manipulación de datos espaciales y el método analítico jerárquico (AHP) desarrollado por Thomas L. Saaty para realizar una combinación lineal ponderada de mapas de criterio. El método analítico jerárquico AHP y luego su extensión el método analítico de redes ANP, propuestos en [13] y luego ejemplificados profusamente en [14, 15] han conocido una amplia popularidad entre estudiosos y practicantes de la decisión multicriterio, como refleja el amplio número de aplicaciones, principalmente del AHP, realizadas en múltiples esferas de decisión. En los estudios de ordenamiento territorial se han utilizado conjuntamente con SIG por [5, 16, 17] integrados en algunos casos con programación lineal y análisis estadísticos. Por otro lado la combinación lineal ponderada de mapas es una aplicación del modelo de suma lineal ponderada [18]. El método es uno de los más y utilizados en modelaciones espaciales utilizando GIS. Su empleo se facilita por la simplicidad de las operaciones cuando se utilizan modelos basados en datos raster. Siguiendo los principios enunciados se desarrolló una aplicación piloto para el municipio Baracoa. Esta aplicación debe servir como plataforma de demostración del sistema y para probar los modelos de decisión implementados y el funcionamiento de los módulos IT, así como evaluar las interaccio- VI Congreso Internacional de Geomática. 4

5 nes entre los actores y el sistema informático. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la actualidad se cuenta con una base de datos ambiental para el municipio Baracoa, que almacena información en formato vectorial o raster, así como ortofotomapas de zonas de interés del municipio. La base de datos se encuentra almacenada en Supermap Database (SDB) locales, que pueden ser transferidas fácilmente a un modelo de almacenamiento distribuido[19]. La figura 3 muestra algunas pantallas de la interfase de aplicación. Se cuenta con información relevante para estudios ambientales como topología, hidrología, clima, uso detallado del suelo, características del suelo, población, división administrativa, infraestructuras de transporte e industria. Las escalas varían de 1:10000 para la representación de uso de suelo a 1: en el caso de las variables climáticas. Todas las capas están proyectadas en la proyección Cónica Conforme de Lambert con los parámetros actuales correspondientes a Cuba Sur. Actualmente se mejoran las capas de infraestructura y transporte. Y se encuentran disponibles imágenes de teledetección de diversas zonas del municipio, principalmente LANDSAT (5, 7TM) AS- TER y fotogrametría aérea. Fig. 4: Aplicación de un modelo de decisión basado en AHP y superposición lineal ponderada. Fig. 3: Algunos aspectos de la Base de Datos espacial El módulo DS en su estado de desarrollo actual permite resolver de manera automatizada casos simples de análisis GIS multicriterio utilizando AHP y suma ponderada de mapas. Se han desarrollado análisis de mayor complejidad utilizando la información existente base de datos y otras aplicaciones especializadas en análisis numérico como matlab [20, 21] (trabajos no publicados). Las figuras 4 y 5 muestran algunos aspectos de proceso de solución de un problema utilizando la base de datos ambiental y el procesamiento de las salidas para la generación de mapas en Supermap Desktop. Todo el sistema puede ejecutarse en las compu- VI Congreso Internacional de Geomática. 5

6 tadoras existentes sin exagerados requerimientos de hardware, aunque para la solución de problemas complejos de muchas variables es recomendable contar con procesadores potentes y memoria adicional. base de datos ambiental extensible fácilmente y actualizable para el desarrollo de ejercicios de apoyo a la decisión. El desarrollo de las aplicaciones necesarias para el proyecto utilizando Supermap objects es rápido y eficiente, con una curva de aprendizaje razonablemente plana. La herramienta de escritorio Supermap Desktop, cuenta con los requerimientos necesarios para la tarea propuesta aunque no es tan avanzada como algunos competidores (ESRI Arc GIS 9+) En el futuro se debe trabajar en los siguientes aspectos: - Escalar la base de datos ambiental hasta un nivel territorial - Completar la implementación del modelo AHP con jerarquías multinivel e integrar otros modelos de decisión. - Trabajar en la integración de los módulos para facilitar la utilización por los especialis- 5. tas en los niveles de decisión. AGRADECIMIENTOS Este trabajo cuenta con el apoyo financiero de la Academia de Ciencias del Tercer Mundo (Third World Academy of Sciencies TWAS) y la Academia de Ciencias de la República Popular China (Chinese Academy of Sciencies CAS). Los autores desean agradecer especialmente al IMDHE (CAS), y la empresa Supermap Software ltd en la utilización de sus recursos (CAS) por el apoyo y soporte técnico. 6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Fig. 5: Preparación de las salidas en forma de mapa imprimible en el software Supermap DeskPro. Con la aplicación mencionada se han realizado pruebas satisfactorias en un modelo de decisión para la selección de áreas de desarrollo del coco en el municipio Baracoa. Estos experimentos permiten comprobar las diferentes aplicaciones del modelo de datos y flujos de trabajo de Supermap GIS en casos reales y comenzar un desarrollo mas profundo con el objetivo de lograr una aplicación completamente funcional a mediano plazo. 4. CONCLUSIONES Como conclusiones del trabajo se pueden enumerar las siguientes: Los resultados obtenidos de las aplicaciones indican importantes ventajas en la existencia de una 1. ONU, DESARROLLO SOSTENIBLE DE LAS MON- TAÑAS. 2003, Asamblea General de la Organización de Naciones Unidas: NUEVA YROK. p CONSEJO DE MINISTROS DE LA REPUBLICA DE CUBA, DECRETO LEY 201 SOBRE LAS AREAS PROTEGIDAS DE LA REPÚBLICA DE CUBA Malczewski, J., GIS and MULTICRITERIA DECISION ANALYSIS. 1999, New York: John wiley & Sons, inc Willardson, D.L.S., ed. IMPACT OF LAND UTILIZA- TION SYSTEMS ON AGRICULTURAL PRODUCTIV- ITY. 2003, The Asian Productivity Organization. 5. De Steiguer, J.E., et al., Multi-Criteria Decision Models for Forestry and Natural Resources Management: An Annotated Bibliography. 2003, USDA United States Department of Agriculture. p GESPRO, Sistema de Información Geográfica para el manejo de las Regiones Especiales de Desarrollo Sostenible, REDS, de la República de Cuba, C.D.G.D. PROYECTOS, Editor. 2002, CITMA. 7. Martín Morales, G. and E. Garea Llano. Sistema de Información Geográfica para el Manejo de la Información Territorial, caso Yaguajay. in IV Congreso Inter- VI Congreso Internacional de Geomática. 6

7 nacional de Geomática Ciudad de la Habana. 8. Zhu, A.-X., A personal construct base knowledge acquisition process for natural resource mapping. International Journal of Geographical Information Science, (2): p Cai, W., Extension theory and its application. Chinese science bulletin, (17): p Martín del Río, B. and A. Sanz Molina, REDES NEU- RONALES Y SISTEMAS DIFUSOS 2ª EDICION. 2002: Alfaomega RaMa. 11. Malczewski, J., et al., Multicriteria Group Decision- Making model for Enviromental Conflict Analysis in the Cape Region, Mexico. Journal of Enviromental Planing and Management, (40): p Makowski, M. and H. Nakayama, NATURAL ENVI- ROMENT MANAGEMENT AND APPLIED SYSTEM ANALYSIS, in IR Saaty, T.L., The analytic Herarchy Process. INTER- NATIONAL SERIES IN OPERATIONS RESEARCH & MANAGEMENT SCIENCE. 1990, Pittisburg: RWS Publications Saaty, T.L. and L.G. Vargas, MODELS, METHODS, CONCEPTS & APPLICATIONS OF THE ANALYTIC HIERARCHY PROCESS. INTERNATIONAL SERIES IN OPERATIONS RESEARCH & MANAGEMENT SCIENCE, ed. F.S. Hillier. 2000: KLUWER ACA- DEMIC PUBLISHER Saaty, T.L. and L.G. Vargas, DECISION MAKING WITH THE ANALYTIC NETWORK PROCESS. IN- TERNATIONAL SERIES IN OPERATIONS RE- SEARCH & MANAGEMENT SCIENCE, ed. F.S. Hillier. 2006: Springer. 16. Kiker, G.A., et al., Application of Multicriteria Decision Analysis in Environmental Decision Making. Integrated Environmental Assessment and Management, (2): p Santé Riveira, I. and R. Crecente Maseda, EVALUA- CIÓN DE MÉTODOS PARA LA OBTENCIÓN DE MAPAS CONTINUOS DE APTITUD PARA USOS AGROFORESTALES. Revista Internacional de Ciencia y Tecnología de la Información Geográfica, 2005(5): p Fishburn, P.C., Additive utilities with incomplete product set: Applications to priorities and assignments. 1982, Dordrecht, Holland D. Reidel Pub. Co. 19. Supermap Software Co. LTD, Supermap Objects , Supermap Software Co. LTD,: Beijing. 20. Delgado Tellez, R., Agro-ecological zoning of the land aptitude for the development of coconut crops in mountain conditions. A case study in Santa Maria basin Cuba Delgado Tellez, R., Aplicación de métodos multicriterio y redes neuronales artificiales de conjunto con GIS para asesorar la ubicación de plantaciones de cocotero (cocos nucifera) VI Congreso Internacional de Geomática. 7

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