UNIVERSIDAD NACIONAL
ESCUELA DE CIENCIAS AMBIENTALES
ANÁLISIS HIDROLÓGICO Y MORFOMÉTRICO DE CUENCAS UTILIZANDO ARCVIEW GIS
Jorge Fallas
GEOAMBIENTE
TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN GEOESPACIAL
2009
i Índice Introducción ......................................................................................................................... 1 SECCIÓN 1: Crear modelo de elevación digital a partir de curvas de nivel .......................... 2 Datos ................................................................................................................................... 3 Procedimiento: TIN .............................................................................................................. 6 Rasterizar TIN...................................................................................................................... 9 Crear archivo de sombreado del terreno (iluminación) ......................................................... 9 Evaluación de la calidad de la interpolación....................................................................... 10 SECCIÓN 2: Análisis hidrológico ....................................................................................... 12 Corrección del MED ........................................................................................................... 16 Rellenar sumideros ............................................................................................................ 18 Dirección de flujo ............................................................................................................... 19 Áreas planas (Flat area detection) ..................................................................................... 20 Acumulación de flujo .......................................................................................................... 20 Cambio de flujo .................................................................................................................. 24 Flujo máximo ..................................................................................................................... 24 Cuencas (Contributing Area).............................................................................................. 25 Longitud de flujo ................................................................................................................ 25 Índice de humedad ............................................................................................................ 25 Índice de poder del río ....................................................................................................... 26 Índice de posición topográfica............................................................................................ 27 SECCIÓN 3: Descripción cuantitativa de la cuenca ........................................................... 29 Delimitación automática de la cuenca ................................................................................ 30 Delimitación manual de la cuenca...................................................................................... 32 Calcular área y perímetro de la cuenca.............................................................................. 33 SECCIÓN 4: Red de drenaje ............................................................................................. 34 Clasificación de cauces: órdenes de Strahler y magnitudes de Shreve ............................. 38 Ordenes de Strahler .......................................................................................................... 40 Magnitud de cauces de Shreve .......................................................................................... 44 Longitud del cauce principal............................................................................................... 46 Pendiente del cauce principal ............................................................................................ 46 Perfil del cauce principal .................................................................................................... 47 SECCIÓN 5: Herramientas para análisis topográfico y de superficies ............................... 50 Características topográficas de la cuenca.......................................................................... 54 Elevación media de la cuenca ........................................................................................... 55 Pendiente media de la cuenca ........................................................................................... 55 Elevación, pendiente y aspecto medio de la cuenca .......................................................... 57 Pendiente en varias direcciones ........................................................................................ 58 Referencias ....................................................................................................................... 59 Anexo 1: Creación de modelos de elevación digital con “Contour Gridder" (CGv1.avx) ..... 61 Escuela de Ciencias Ambientales http://www.edeca.una.ac.cr/; http://www.edeca.una.ac.cr/educa.htm Facultad de Ciencias Tierra y Mar http://www.tierraymar.una.ac.cr/ Universidad Nacional http://www.una.ac.cr/, Heredia, Costa Rica Teléfono (506) 277 3290 • Fax (506) 277 32 Este material puede descargarse de http://www.smetube.com/smestorage//users/jfallas56)
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Introducción La delimitación de la cuenca hidrográfica, su análisis hidrológico y la descripción cuantitativa de su morfometria son dos tareas esenciales en todo plan de gestión de cuencas y de recursos hídricos. El presente tutorial tiene como objetivo instruir al estudiante en cómo utilizar ArcView GIS y sus extensiones (comerciales y de dominio público) en la delimitación de la cuenca y su posterior análisis hidrológico y morfométrico. El tutorial cubre los siguientes aspectos: 1. Creación de modelo de elevación digital del terreno (MED) a. Interpolación con 3D Analista y rasterización de MED b. Sombreado del terreno c. Evaluación de calidad del MED 2. Análisis hidrológico a. Corrección del MED b. Dirección de flujo c. Acumulación de flujo d. Creación automática de red de drenaje e. Delimitación del cuencas (automática y manual) f. Índice de humedad g. Poder del cauce 3. Descripción cuantitativa de la cuenca a. Determinación de área, perímetro, longitud máxima b. Coeficiente de Gravelius c. Pendiente media, mínima y máxima de la cuenca d. Densidad de drenaje e. Curva de área versus elevación (curva hipsométrica) 4. Caracterización de la red de drenaje a. Clasificación de cauces según Horton-Sthraler (Ordenes) y Shrieve (Magnitudes) b. Longitud de cauces por orden y magnitud c. Determinación de pendiente media y por sección del cauce principal y sus tributarios d. Elaboración de perfil longitudinal del cauce 5. Creación de perfiles altitudinales a. Perfiles transversales b. Perfiles longitudinales Datos Los datos utilizados en el tutorial (curva de nivel y red de drenaje) provienen de la cartografía TERRA escala 1:25 000 de 1998. Dicha cartografía no es oficial, sin embargo constituye la fuente de geodatos más actualizada del país. La cartografía TERRA utiliza la proyección CRTM98 y el elipsoide WGS84. Los archivos que acompañan al presente tutorial fueron transformados de CRTM98 a Lambert Norte utilizando la extensión cr_proy_datum_2008.avx (Fallas, 2008). Los estudiantes de la Universidad Nacional pueden adquirir geodatos del proyecto TERRA en el Centro de Documentación de la Facultad de Ciencias de la Tierra y el Mar. Extensiones utilizadas Las extensiones a utilizar en el presente tutorial son: 3D Analista, Analista Espacial, Xtools, MemoTools, CGv1.1, Easy Profiler v2.1, Terrain analysis (topocrop.avx), hydrotools 1.0, basin1, Strahler_St_Or (Ayad ali Faris,2006) y Create Shreve Stream Order (Duncan Hornby, 2006), edit tools 3.6, LineSlope Analysis Extension (Phil Hurvitz, Junio 9 2005), Surface Tools (v. 1.6b, Jeff Jenness, Feb. 12 2008), DEMAT, LMS Analyst, Direccional slope.
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SECCIÓN 1
Crear modelo de elevación digital a partir de curvas de nivel
3 Introducción En el presente ejercicio usted aprenderá cómo crear un modelo de elevación digital a partir de curvas de nivel utilizando la extensión 3D analista de ArcView GIS (Fig. 1). El tutorial no trata sobre métodos de interpolación utilizando ArcView y por lo tanto se asume que el estudiante está familiarizado con los métodos y técnicas de interpolación. Si este no el caso, le recomiendo leer el documento “Modelos digitales de elevación:Teoría, métodos de interpolación y aplicaciones” (Fallas, 2008) y Creando Superficies con 3D Analista y Analista Espacial de ArcView GIS (Fallas, 2008).
Figura 1: Métodos de interpolación y fuentes de datos
Datos 1. Inicie la sesión de trabajo en ArcView. Desde el menú de File, seleccione Extensions y active 3DAnalyst y Spatial Analyst. Antes de iniciar el laboratorio cree un directorio de trabajo en su disco duro; utilice una ruta como la que se muestra a continuación C:/hidro (no utilice nombres largos ni con espacios). Designe dicho directorio como su espacio de trabajo (File, Set Working Directory) En la ventana de propiedades de la vista defina las unidades de mapa como metros. (View properties, map units). 2. Creación de modelo de elevación digital utilizando curvas de nivel y 3D Analista (modelo TIN) Adicione el tema curvas_lab.shp, actívelo y visualícelo. El sistema de coordenadas de los temas que se utilizarán en el presente laboratorio es Lambert Norte, datum Ocotepeque (Elipsoide Clarke, 1866).
Los archivos curvas_lab y ríos_lab provienen de la cartografía TERRA escala 1:25 000 y corresponden al cuadrante suroeste de la hoja Abra 1:50 000 del Instituto Geográfico Nacional de Costa Rica. El intervalo entre curvas de nivel es 10m.
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Ubicación de área de estudio.
Curvas de nivel con un intervalo de 10 metros. Control de calidad: Se asume que las curvas de nivel están correctamente etiquetas (lo cual no siempre es cierto). Este supuesto se verificará una vez creado el modelo de elevación digital.
5 Terminología: 3D Analista Antes de iniciar el proceso de interpolación usted debe familiarizarse con la terminología utilizada en las ventanas de diálogo de 3D Analista. Tipos de elementos utilizados como insumos Mass point (Puntos): Puntos (X,Y, Z) utilizados en el proceso de interpolación; cada punto define un vértice en los triángulos irregulares creados por el programa. Los puntos pueden provenir de vértices de polilíneas ó de polígonos. Breakline (líneas de roptura o fractura ): Elementos lineales que usted desea mantener en la triangulación. Esos elementos pueden provenir de temas de polilíneas ó de polígonos y pueden ser suaves ó rigidos. Replace polygon (polígono de reemplazo): Polígonos que usted desea mantener en los triángulos. A dicha área se le asignará una altura constante. Por ejemplo, mostrar la extensión del embalse arenal a una cota determinada. Erase polygon (borrar polígono): Polígono utilizado para indicarle al programa que no interpole valores de elevación al interior de las mismas; o sea el programa excluye dichas áreas del proceso de interpolación; así como de cualquier otro calculo que se realice utilizando el TIN (Ej. Calculo de volúmenes, interpolación de curvas de nivel). Clip polygon (Recortar con polígono): Polígono que le indica al programa las áreas a interpolar o sea el programa solo interpola valores de elevación para dichas áreas. Fill polygon (Polígono de atributo): Área a la cual se desea asignar un atributo (valor entero) específico en el modelo interpolado. En esta área no operan la operaciones reemplazo de valores de elevación, borrar, o recortar. Cuando su insumo es un tema lineal (Ej. curvas de nivel) las opciones para los otros insumos serán: Puntos líneas de roptura o fractura suaves ó rígidas Cuando su insumo es un polígono las opciones para los otros insumos serán: Puntos líneas de roptura o fractura suaves ó rígidas Polígono de reemplazo suaves ó rígidos Polígono de borrar suaves ó rígidos Polígono con valor particular Polígono de recortar suaves ó rígidos Elementos rígidos: Objetos del paisaje como ríos, carreteras ó líneas de costa que indican un cambio significativo en la pendiente del terreno. Elementos suaves: Objetos del paisaje que no representan cambios significativos en la pendiente del terreno y que por lo tanto no son importantes para determinar las alturas en el modelo digital del terreno pero sin embargo usted desea mantenerlas para un uso posterior (Ej. divisoria topográficas entre cuencas, perímetro de una finca, límite de área de estudio).
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Procedimiento: TIN 1. Del menú de Superficie seleccione crear TIN (Surface, Create TIN from features). En la ventana de create new tin, seleccione el tema curvas_lab y configure los campos de la ventana como se muestran a continuación: Recuerde el tema curvas_lab debe ser su tema activo
Elementos rígidos (Hard Breaklines): Elementos que representan cambios bruscos en la pendiente del paisaje (Ej. vías, ríos, líneas de costa) y que serán visibles en el modelo de elevación digital. Elementos flexibles (Soft Breaklines): Elementos que no representan cambios bruscos en el paisaje (Ej. Curvas de nivel). Class: Polyline : Se selecciona cuando se utilizan curvas de nivel para crear el modelo de elevación digital. Height source: Z Le indica al programa cual campo de la tabla del tema de curvas de nivel corresponde al valor de elevación. Class: PointZ : Indica que los elementos geométricos poseen valores de elevación. Height source: Shape Se selecciona cuando el tema posee valores de elevación. Input as : Mass Points Se selecciona cuando los datos de insumo son puntos con valores de elevación. Los puntos son utilizados por el programa para crear los nodos de los triángulos Value Field: none Campo que indica el valor de elevación (Ninguno). Presione OK y provee un nombre para el archivo a crear (tin_lab). Guarde el archivo en su directorio de trabajo. Una vez creado el modelo TIN, apague el tema Curvas_lab.shp y visualice el tema de triángulos irregulares (tin_lab2TIN). Felicitaciones!!!. Usted ha creado su primer modelo digital de elevación. Como pudo observar el proceso es más simple de lo que parece. Si desea visualizar los diferentes elementos que contiene el archivo TIN, haga un doble clic sobre Tin_lab en la tabla de contenidos y configure la ventana como se muestra a continuación, luego presione Apply (aplicar):
7 Haga un doble clic sobre Tin_lab en la tabla de contenidos y configure la ventana como se muestra a la izquierda (seleccione lines y Faces—para visualizar las líneas y las caras de los triángulos). Apply (aplicar)
Ahora centre la vista en las coordenadas X: 514084, Y: 208106 y visualícela a una escala 1:2000.
Describa lo que observa: (Nota: puede ampliar varias áreas para mayor detalle) ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
1. ¿Observa usted algún error en el modelo? Si: ______ No: ________. Argumento:
________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
8 2. ¿Qué representan las líneas denominadas “Breaklines soft” y “Breaklines hard”? ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
3. Amplíe el sector central de la vista. Seleccione la herramienta de identificar un clic sobre varios puntos del área indicada por las flechas.
y haga
Registre los valores de elevación: _______________________________________ ¿Que le indican dichos valores? ¿Es la representación del relieve correcta? _______________________________________
________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
4. Dibuje un perfil utilizando la línea que se muestra en la siguiente figura.
Comentarios (implicaciones prácticas): ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
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Rasterizar TIN El formato del archivo Tin_lab es vectorial. A continuación usted lo convertirá al formato raster de ESRI (GRID). Theme, Convert to Grid.... Navegue hasta su carpeta de trabajo y designe el archivo como med_lab Configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación: Nota: Digite el tamaño de celda deseado para que el programa pueda determinar automáticamente el número de filas y columnas de su archivo. Las unidades son metros. Modifique el tamaño de la celda y presionar OK para continuar. Luego, visualice el archivo. Output Grid Extent: Indica el archivo que ArcView utilizará para definir la extensión del archivo a rasterizar. Por ejemplo, usted puede crear un TIN de una hoja 1:50.000 y luego rasterizar sólo una sección de la hoja (Ej. Área de estudio). En el presente ejercicio rasterizaremos el área definida por el modelo TIN recién creado. Output Grid Cell size: Tamaño de la celda en unidades de la vista. Esto indica la resolución del archivo raster. Number of Rows: Número de filas. El programa calcula automáticamente el valor de este campo. Number of Colums: Número de columnas. El programa calcula automáticamente el valor de este campo.
Seleccione la herramienta de identificar imagen. Anote los valores de elevación:
y haga un clic sobre varios puntos en la
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Crear archivo de sombreado del terreno (iluminación) Para crear un archivo de sombreado del terreno seleccione desde Surface Compute Hillshade Med_lab debe ser el tema activo
Esta ventana le permite configurar la altura e inclinación del haz de luz que se aplicará a la imagen. Los valores 315 (Noroeste) y 45 grados son utilizados con mucha frecuencia. OK y luego visualice la imagen. Observe que el programa le muestra una imagen en tonos de grises. Si lo desea usted puede utilizar el editor de leyendas (Legend Editor) para elegir otra paleta.
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OK. Nota: si observa las propiedades de este tema observará que el archivo es temporal. Si desea convertirlo en un archivo permanente debe convertirlo a un GRID (Theme, Convert to Grid…). Utilizar archivo de sombreado del terreno para darla una apariencia de relieve al MED. Haga un doble clic sobre med_lab en la tabla de contenidos y configure la ventana de diálogo como se muestra a la izquierda: Leyend Type: Graduated Color (tipo de leyenda, gradación de colores) Classification field: Value (Campo de clasificación valores de elevación) Color Ramps: Elevation No.1 (paleta de colores predefinida) Advanced: Seleccione Hillshade of Med_lab Minimum Cell Brightness: 20 (brillantes mínima) Maximum Cell Brightness: 80 (brillantes máxima) OK Aply (Aplicar)
Recuerde que el archivo Hillshade of med_lab es temporal y si desea conservarlo para usos futuros debe convertirlo en un archivo GRID permanente (Theme, Convert to Grid....)
Describa lo que observa: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
Evaluación de la calidad de la interpolación El control de calidad es un elemento esencial en todo trabajo; la computadora, el software comercial y los archivos digitales no aseguran por sí mismos la calidad de los productos. Por esta razón es esencial contar con métodos y procedimientos estandarizados para realizar el proceso de evaluación de calidad. A continuación usted
11 evaluará la calidad del MED utilizando una de las funciones de las extensiones Analista Espacial y 3D Analista: Surface, Create Contuors....Esta función permite crear curvas de nivel (o en general isolíneas) a partir del modelo de elevación digital. Premisa: Si el modelo de elevación digital (MED) es correcto debería ser posible recrear las curvas de nivel utilizadas para crearlo.
Procedimiento 1. Designe el tema Med_lab como activo. 2. Desde el menú Surface seleccione Create Contuors.... Contour interval: intervalo entre curvas de nivel (en este caso 10 metros) Base contour: valor de la curva inicial (se utiliza un valor inferior a la curva mínima; en nuestro caso710) Ok.
3. Visualice las curvas 4. Visualice el tema curvas_lab 5. Compare ambas curvas Conclusión: ________________________________________________________________________
Las líneas negras indican las curvas recreadas a partir del modelo de elevación digital. Las líneas rojas indican las curvas de nivel originales.
¿Cuáles son las principales deficiencias del modelo? ________________________________________________________________________ Algunas soluciones: 1. Utilizar curvas y puntos auxiliares. Ej. levantamientos con receptores de GPS. 2. Utilizar otro interpolador (Ej. Curvatura mínima o “Contour Gridder" (CGv1.avx).
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SECCIÓN 2 Análisis hidrológico
13 Introducción A continuación se listan algunas extensiones que realizan diversos análisis hidrológicos a nivel de la cuenca hidrográfica. Para mayores detalles visitar http://arcscripts.esri.com/. Extensión HydroTools 1.0 GRID Tools 1.11 Hydrologic Modeling v1.1 Basin1 Hydrology - an extension to studies in watershed AMBER Basin Customization AMBER Basin Delineation ModifiedWatershed.Plus
Funcionalidad Análisis hidrológico. Holger Schäuble, marzo 31 2008. Análisis hidrológico. Holger Schäuble, marzo 31 2008. Análisis hidrológico Delimitación de cuencas y sus características, creación de red de drenaje, extracción de valores de elevación. Ivan Petras, Nov. 9 2003 Análisis hidrológico. Eulimar Tiburcio, Enero 10 2008 Paul Jendrowski, 2002. http://www.comet.ucar.edu/class/basin_customization/amberbsn_avx/do c/amberbsn_avx.html Paul Jendrowski, 2002. http://www.comet.ucar.edu/class/basin_customization/amberbsn_avx/do c/amberbsn_avx.html Delimitación y análisis de cuencas (Ej. Escorrentía, deslizamientos, avalanchas). Felix Pertziger, Junio 25 2008.
HIDROLOGIA Weighted Flow Accumulation And Infiltration Topocrop Terrain Indices
Topographic Position Index (TPI) v.1.3a
Calculate compound topographic (wetness) index AVErosion 1.0 DEMAT - DEM Analysis Tool
Directional Slopes v. 1.2a LineSlope Analyst Morphometric of basin
Calcula acumulación de flujo ponderando sustracciones debido a infiltración ó evapotranspiración representada por temas raster con valores negativos. Fridjof Schmidt, Marzo 12 2001. Calcula los siguientes índices topográficos a partir de un MED: 1. Índice de humedad topográfica de Beven&Kirkby 2. Índice de poder del cauce/factor de pendiente-longitud según Moore et al. 3. Formas del terreno 4. Error del MED a partir de puntos no utilizado en la creación del MED. Frank Schmidt, Dic. 12 2002 Calcula Índice de posición topográfica. Utiliza pendiente y posición para clasificar pixeles en valles, cimas, piedemonte, etc. y en formas del terreno (Ej. cañones estrechos y de fuerte pendiente, valles de pendientes suaves, llanuras, mesas, etc.). Jeff Jenness, Sep. 15 2006. Calculo del índice topográfico compuesto (CTI, por sus siglas en inglés), conocido como índice de humedad estable. Paikho Rho, Junio 11 2002. Ecuación Universal de pérdida de suelo Calcula: 1. Pendiente (grados y %) método de Horn 2. Pendiente (grados y %) método de Zenvenbergen y Thorne 3. Aspecto método de Horn 4. Aspecto método de Zenvenbergen y Thorne 5. Curvatura, perfil curvatura (curvatura en el sentido de la pendiente), curvatura de plan Thorsten M. Behrens, Mar. 1 2005 Calculo pendiente en diferentes direcciones. Jeff Jenness, Mar. 15 2007. Análisis de pendiente para elementos lineales Calcula parámetros morfométricos de la cuenca. Insumos: cuenca, red de drenaje, red de drenaje clasificada por órdenes de Strahler, cauce principal, longitud de la cuenca, valores de elevación del cauce principal a 10% y 80% de su longitud, modelo de elevación digital. Ayad Faris, Dic. 12 2006.
14 Extensión LMS Analyst 4.1 for ArcView GIS 3.x Hypsometric analysis
morpho-Drainage-stream order
Strahler-St-Or
Generate Stream Order Create Strahler or Shreve stream order for braided vector river networks ProfileExtractor 6.0 for Spatial Analyst Profile Extractor 6.0 for 3D Analyst ProfileExtractor 6.0 for ArcView Easy Profiler v2.1
AV Profiler (v1.3)
Surface Tools for Points, Lines and Polygons (v. 1.6b)
Surface Areas and Ratios from Elevation Grid v. 1.2
Visibility Analyst Visibility tools Extension Monthly Dewpoint Temperature Calculation Areal Precipitation Calculation using Thiessen Polygons
Funcionalidad Calcula estadísticas zonales para un tema de polígonos (Ej. Cuenca hidrográfica) utilizando un archivo raster. Calcula estadísticos para elevación, pendiente y aspecto. Calcula insumos requeridos para elaborar curva hipsométrica ((a/A) y (h/H) a partir de modelo de elevación digital y cuenca hidrográfica. Ayad Faris, Dic. 12 2006 Calcula características morfométricas de la cuenca. Insumos: 1. Red de drenaje clasificada según los órdenes de Strahler. 2. Modelo de elevación digital. 3. Cuenca hidrográfica. 4. Longitud de la cuenca 5. Temas deben estar asociados entre sí por identificadores. Ayad Faris, Dic. 13 2006 Clasifica la red de drenaje utilizando el método de órdenes de Strahler. La extensión realiza las siguientes tareas: 1. Asigna “From node” y “To node” a cada segmento de la red de drenaje 2. Asigna valor de elevación a cada nodo de la red de drenaje. 3. Verifica que exista una concordancia entre los nodos y sus valores de elevación; de encontrar errores reclasifica los nodos. 4. Clasifica el sistema de drenaje utilizando el método de órdenes de Strahler. Insumos: cuenca hidrográfica, red de drenaje, MED Ayad Faris, Dic.13 2006 Clasifica la red de drenaje utilizando el método de órdenes de Strahler. Razif Sumairi, Feb. 13 2005 Clasifica la red de drenaje utilizando el método de órdenes de Strahler y el de magnitudes de Shreve. Elaboración de perfiles. Ianko Tchoukanski, Abril 19 2002. Elaboración de perfiles. Ianko Tchoukanski, Abril 19 2002. Elaboración de perfiles. Ianko Tchoukanski, Abril 19 2002. Crea archivo con valores "X","Y","Z","D" a partir de temas de curvas de nivel y de polilíneas. Dibuja perfil a partir de tema de puntos continuos. Min-Lang Huang, Junio 1 2001. Crea perfiles para una serie de archivos raster. Requiere a un tema correspondiente a la superficie inferior y otro a la superior. Joseph Bowles, Feb. 8 1999. Calcula varias características topográficas (Ej. Pendiente, elevación, orientación, perfiles de elevación) y de superficie (Ej. Superficie plana, superficie inclinada, longitud plana, longitud inclinada) para puntos, líneas y polígonos a partir de un MED o un TIN. Jeff Jenness, Feb. 12 2008. Calculo de área en plano (AP), área inclinada (AI) y relación AP/AI. Jeff Jenness, Nov. 18 2004. Jenness, J. S. 2004. Calculating landscape surface area from digital elevation models. Wildlife Society Bulletin. 32(3):829-839 (versión PDF en línea). Análisis de visibilidad. Studio A&T s.r.l., Sep. 7 2005 Análisis de visibilidad. ESRI, Oct. 1 1998 Calcula punto de condensación mensual a partir de archivos raster de temperatura máxima y mínima mensuales. David Matamoros, Oct. 3 2003. Polígonos de Thiessen. Ivan Petras Oct. 30 2001.
15 Extensión Create Thiessen Polygons Thiessen restricted by polygons SMORPH slope stability software Shalstab - Shallow Slope Stability Model
Heat Load Index
solar radiation
Funcionalidad Polígonos de Thiessen. Greg Ammon, Oct. 26 2000. Polígonos de Thiessen. Osvaldo Campanella, Abril 22 2008. Análisis de estabilidad de pendientes. Evaluación del potencial de deslizamientos superficiales a partir de curvatura y orientación de la pendiente. Lew Rosenberg, Mayo 23 2007. Modelo físico utilizado para mapear áreas potencialmente inestables utilizando condiciones hidrológicas y topográficas. Tim Schaub, Junio 22 2004. http://socrates.berkeley.edu/~geomorph/shalstab/index.htm Índice de carga de calor anual. Utiliza las ecuaciones de McCune, Bruce and Dylan Keon, 2002. Equations for potential anual direct incident radiation and heat load index. Journal of Vegetation Science. 13:603-606. http://oregonstate.edu/~mccuneb/radiation.htm Insumos: MED y latitud. Sean Parks, Oct. 27 2004. Calcula radiación solar anual. Utiliza las ecuaciones de McCune, Bruce and Dylan Keon, 2002. Equations for potential anual direct incident radiation and heat load index. Journal of Vegetation Science. 13:603-606. http://oregonstate.edu/~mccuneb/radiation.htm Insumos: MED y latitud.Sean Parks, Oct. 22 2004
Existen varias extensiones (Ej. DNR HYDRO; Basin 1, Grid Tools v.1.1) que permiten realizar análisis hidrológicos a partir de un modelo de elevación digital (MED); sin embargo en el presente tutorial utilizaremos la extensión HydroTools 1.0 (Schäuble, 2003). Si usted lo desea puede explorar algunas de las otras extensiones mencionadas previamente. La figura 1 ilustra el flujograma de trabajo sugerido cuando se utilice la extensión Hydro Tools. Si usted utiliza otro software es muy probable que posea herramientas similares para realizar dichas tareas.
Figura 1: ·Corrección de errores en el MED y uso en análisis hidrológico a nivel de cuenca hidrográfica.
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Corrección del MED Antes de utilizar el modelo de elevación digital (MED) para realizar cualquiera análisis hidrológico usted debe asegurarse que el no posee ni sumideros ni cimas artificiales; o sea debe ser “hidrológicamente correcto”. Esto implica que las puntos de máxima elevación en las cimas o divisorias topográficas sean reales y que las depresiones o puntos de mínima elevación también sean verdaderos. Si esto no se cumple los algoritmos utilizados en el análisis hidrológico producirán resultados incorrectos
Figura 2: Hydro Tools: Flujograma de trabajo. Procedimiento La extensión Hydro Tools (Schäuble, 2003) está organizada en dos secciones; la primera provee herramientas para preparar el MED y la segunda para realizar el análisis hidrológico. Las tareas de preparación tienen como objetivo crear un MED “hidrológicamente correcto”; o sea sin sumideros ni barreras creadas por el proceso de interpolación. El MED corregido representa correctamente la dirección de flujo. La identificación de sumideros y de áreas planas le permite determinar posibles áreas problemáticas cuando realice las aplicaciones hidrológicas. Este aspecto se ilustra en la sección de aplicaciones hidrológicas. 1. Cargue la extensión Hydro Tools 1.0 (Schäuble, 2003). La extensión adiciona dos botones ; el primero se utiliza para preparar el MED y el segundo para realizar el análisis hidrológico. 2. Dirección de flujo Para corregir el MED se necesita el tema de dirección de flujo. El insumo es Medlab. El programa asigna automáticamente el nombre “dir” al nuevo tema. Si lo desea puede guardar el tema con otro nombre. Este tema muestra la dirección del flujo en el terreno (“pendiente abajo”). Presione Calculate para ejecutar la tarea.
17 3. Corrección del MED La extensión HydroTools utiliza el tema de dirección de flujo y el MED para asegurarse que exista congruencia entre ambos temas. En caso de encontrar inconsistencias, el programa reduce la elevación en 0.0001 metros de la celda inconsistente hasta que exista congruencia entre la dirección de flujo y el valor de elevación.
Topología no correcta. Observe que existe un sumidero en la dirección de flujo. Dicho sumidero corresponde a una sola celda y por lo tanto no puede representar un cauce.
Topología correcta. El sumidero es rellenado y el agua continúa su movimiento en el sentido de la pendiente.
Topología no correcta. Observe que existe un pequeño obstáculo al movimiento del agua. El error se corrige creando una pequeña gradiente entre las celdas superior e inferior.
Fuente: Basado en Schäuble, 2003. Para continuar con el ejercicio, configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación: DEM: Elija Medlab Direction: Elija direction of Medlab
El programa automáticamente crea el archivo “Correction of Medlab” Nota: Este es un archivo permanente, sin embargo su nombre real no es “Correction of Medlab”. Para conocer su nombre verdadero, desde el menú seleccione Theme y Properties. Observe que la extensión utiliza el nombre “corr..”. Si lo desea puede guardar el tema con otro nombre. Presione Calculate para ejecutar la tarea.
Metros
Diferencia en elevaciones entre modelo digital original y el corregido. Note que las diferencias son muy pequeñas y por lo tanto se mantienen las propiedades hipsométricas del área de estudio.
18 4. Crear tema de sumideros La creación de este tema es opcional, ya que la extensión no lo requiere para rellenar los sumideros del modelo de elevación digital. Sin embargo el tema le permite darse una idea de la ubicación de los sitios problemáticos e indirectamente de la calidad de la interpolación. El programa asigna un valor individual a cada sumidero.
El insumo debe ser el tema Correction of Medlab. Los círculos y rectángulos en la imagen de la derecha indican la ubicación de los sumideros.
Rellenar sumideros Los sumideros son depresiones artificiales creadas en el proceso de interpolación. La representación correcta de las depresiones del terreno (Ej. cauce del río con elevaciones mínimas con respecto a sus riberas) es un requisito para la correcta definición de la dirección de flujo y su posterior uso en la delimitación de cauces y de cuencas hidrográficas.
A
B
Tanto los picos como los sumideros alteran la topología del MED. Las flechas indican la dirección de la pendiente máxima (dirección de flujo). Las celdas con el valor 47 no descargan su flujo a ninguna otra celda y por lo tanto constituyen un sumidero. Para rellenar los sumideros, configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación. Seleccione el tema correspondiente al modelo digital de elevación corregido (correction of Medlab). El programa automáticamente crea el archivo Medlab_filled.
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Metros
Esta grafica ilustra la diferencia en elevación entre el MED corregido y el MED corregido pero sin sumideros. Observe que la mayoría de las áreas problemáticas se ubican en el extremo noroeste del área de estudio y en sus límites.
Dirección de flujo
Una vez corregidos los sumideros, la topología del MED es correcta y por lo tanto se puede proceder a calcular el tema de dirección de flujo; el cual muestra el traslado del flujo entre celdas en el sentido de la pendiente del terreno. DEM: Seleccione Medlab_filled
correction
of
El objetivo de la corrección del MED y la eliminación de sumideros es crear un modelo del terreno topológicamente correcto, o sea, en el cual existe una concordancia entre la dirección del flujo y la elevación del terreno. Este nuevo archivo debe utilizarse para crear el archivo final de dirección de flujo que será utilizado en la delimitación de cuencas y del sistema de drenaje.
Dirección de MED corregido y sin
Dirección de MED sin corregir y con
20 sumideros
sumideros Relación entre los valores del pixel y la dirección de flujo: 32 NO 16 O 8 SO
64 N 4S
128 NE 1E 2 SE
Áreas planas (Flat area detection) Este archivo muestra aquellas áreas cuya pendiente es cero y por lo tanto el algoritmo programa no es capaz de decidir hacia donde debe moverse el agua. Las áreas planas reflejan la ausencia de datos de elevación en áreas con poco pendiente y el efecto del método de interpolación utilizado para crear el MED. El programa asigna un valor individual a cada zona plana. Para el presente ejemplo, no se observó ninguna diferencia entre los dos métodos de interpolación (TIN y CGv.1).
Las áreas planas corresponden a las zonas con igual elevación creadas por el algoritmo de interpolación. La imagen de la izquierda (color rojo) corresponde al MED creado con la extensión Contour Gridder en tanto que la imagen de la derecha muestra las áreas planas creadas por el método de triángulos irregulares.
Acumulación de flujo Una vez corregido el MED y eliminado los sumideros se puede proceder a crear el tema de acumulación de flujo. Si usted no tiene acceso al programa ArcView+Analista espacial puede utilizar el siguiente programa de dominio público. TARDEM http://www.engineering.usu.edu/dtarb/ TAUDEM http://moose.cee.usu.edu/taudem/taudem.html La función acumulación de flujo, como su nombre lo indica, acumula agua o cualquier otro elemento en la dirección de la pendiente del terreno. La topología correcta del MED es esencial para lograr estimaciones realistas del movimiento del agua a lo largo de la pendiente. Basado en Schäuble, 2003. La extensión le permite modificar el valor acumulado utilizando otros dos temas raster:
21 Weight (peso o ponderación): Cuando no se utiliza esta opción, el programa utiliza una ponderación de 1 para cada celda. Sin embargo este valor puede cambiarse utilizando otro tema que indique, por ejemplo, la cantidad de lluvia en la cuenca. Transfer (tema de transferencia): Este tema le indica al programa la cantidad de agua (u otro elemento) que debe transferirse a la celda vecina. Por ejemplo, se puede utilizar un tema que indique la cantidad de agua evaporada y /o infiltrada en cada celda. Dado que este tema le indica al programa la cantidad de agua que no es transferida de una celda a la siguiente, su valor de debe ser menor que 1. Por el contrario, se puede utilizar un tema que le indique al algoritmo el valor por el cual se incrementa el valor del “agua” transferida a la celda siguiente; su valor debe ser mayor que 1 (Ej. reacciones químicas que aumenten la cantidad de contaminantes). La extensión HydroTools le ofrece las siguientes opciones para calcular el tema de acumulación de flujo: 1. D8 (Flujo simple): El flujo es determinando acumulando valores considerando las 8 direcciones en las que puede desplazarse el agua. En este caso el algoritmo transfiere la totalidad del agua a la celda vecina utilizando como criterio la diferencia máxima de pendiente entre la celda evaluada y las vecinas. Se puede utilizar otro tema que modifique la velocidad de movimiento del agua como por ejemplo la cantidad de agua que se infiltra según el tipo de cobertura y las características del suelo. Este método, en general, produce resultados poco realistas comparados con el movimiento del agua en el terreno y por lo tanto no se recomienda su uso (Tarboton,1997). Relación entre los valores del pixel y la dirección de flujo: 32 NO 16 O 8 SO
64 N X 4S
128 NE 1E 2 SE
2. MD (Multiple Flow, Flujo múltiple): El flujo es determinando acumulando valores considerando flujos múltiples de una celda a las celdas vecinas. En este caso el algoritmo transfiere el agua a la celda vecina utilizando como criterios la diferencia de pendiente entre la celda evaluada y las vecinas y un factor de concentración seleccionado por el usuario(a). Valores inferiores a 1 generan flujos más dispersos y superiores a 1, flujos más concentrados. 3. MDD8 (Combined Flow, Flujo combinado de D8 y Flujo Múltiple). El flujo es determinando acumulando valores considerando una combinación de D8 y MD. Los cálculos inician con el método de flujo múltiple hasta que se alcance un umbral definido por el usuario(a) y a partir de dicho momento el programa cambia al método de flujo simple. Cuando se utiliza un tema de infiltración, el programa puede volver a utilizar el método de flujo múltiple cuando el valor calculado es inferior al umbral establecido por el usuario(a).
22
Flujo múltiple
Flujo múltiple: Cada celda recibe una porción del flujo determinada por la formula: Diferencia / ∑ diferencia Flujo Simple: el 100% del flujo pasa a la celda con la máxima pendiente (en este caso 6%).
A
B
C Fuente: basado en Schäuble, 2003.
A. Muestra la diferencia en elevación entre celdas (m). El valor entre paréntesis indica la pendiente. B. Porción de flujo recibido por la celda utilizando el método de flujo múltiple; ponderación c=1 y la siguiente fórmula: porción del flujo = diferencia / ∑ diferencias C. Porción de flujo recibido por la celda utilizando el método de flujo múltiple; ponderación c=2 y la siguiente fórmula: porción del flujo = (diferencia)2 / ∑ (diferencia)2.
Procedimiento Configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación:
El insumo este caso es el tema de dirección de flujo de MED corregido y sin sumideros (Direction of Correction of Medlab, filled). El algoritmo seleccionado es D8 (Flujo simple)
Nota: Si lo desea puede crear otros temas utilizando MD (Multiple Flow, Flujo múltiple) y MDD8 (Combined Flow, Flujo combinado de D8 y Flujo Múltiple).
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Las líneas azules corresponden al sistema de drenaje de la cartografía TERRA 98 (1:25 000). Algoritmo utilizado: D8 (Flujo simple)
A continuación se muestra la acumulación de flujo obtenida utilizando los algoritmos MD (Multiple Flow, Flujo múltiple) y MDD8 (Combined Flow, Flujo combinado de D8 y Flujo Múltiple).
Combinación D8 y flujo múltiple, concentración 2, 100 pixeles (25 Ha).
Combinación D8 y flujo múltiple, concentración 1, 100 pixeles (25 Ha).
D8, flujo simple En general, la opción D8 y flujo múltiple crea un tema con una mejor delineación de los cauces.
Concentración1, flujo múltiple.
Concentración 2, flujo múltiple,
El insumo utilizado en todos los casos fue el MED corregido. La casilla de concentración le indica al programa cómo dividir el flujo entre las celdas vecinas (ver pág. 20). La casilla Channel, le indica al programa el valor requerido para formar un cauce. En este caso 1 pixel=10*10 m = 100 m2.
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Cambio de flujo Esta función determina los cambios en la dirección del flujo. La extensión requiere de los siguientes insumos: Opción A: flujo simple Value (tema de acumulación de flujo) permite determinar el valor del pixel se incrementa o se reduce conforme se desplaza el agua a favor de la pendiente. Dirección de flujo: tema de dirección de flujo. Opción B: flujo múltiple Value (tema de acumulación de flujo) permite determinar si el valor del pixel se incrementa o se reduce conforme se desplaza el agua a favor de la pendiente. MED: Modelo de elevación digital Concentración Opción C: Combinación flujo simple y múltiple Value (tema de acumulación de flujo) permite determinar si los valores del los pixeles se incrementa o se reduce conforme se desplaza el agua a favor de la pendiente. MED: Modelo de elevación digital Concentración El algoritmo solo evalúa los pixeles que drenan directamente en el pixel evaluado. El pixel en la parte superior de la cuenca toma el valor cero (0); posteriormente el algoritmo compara el flujo acumulado del segundo pixel con el flujo acumulado del primer pixel y determina la diferencia en flujo. Ej. 2-3=-1; 52= +3; 1-5=-4; 2-1=1
Fuente: basado en Schäuble, 2003.
Flujo máximo Esta función calcula el valor de acumulación de flujo desde la parte superior de cuenca hasta su desembocadura manteniendo solo el valor de acumulación máximo. O sea el programa determina la ruta de aquellas celdas con la máxima acumulación (cauces). El pixel en la parte superior de la pendiente toma el flujo acumulado de la primera celda (3); posteriormente el algoritmo compara dicho valor con el flujo acumulado del segundo pixel y determina cual es mayor; el proceso se repite hasta completar todos los pixeles a evaluar. Ej. 3 Vs 2=3; 3 Vs 5= 5; 5 Vs 1= 5; 5 Vs 2=5 Fuente: basado en Schäuble, 2003.
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Cuencas (Contributing Area) Esta función determina el área que contribuye flujo con respecto a una celda ó grupo de celdas definidas por el usuario(a). La extensión requiere de los siguientes insumos: Dirección de flujo, y Tema con puntos de inicio del análisis (Ej. estaciones de aforos, represas, puentes, etc.). El valor de cada celda objeto de análisis debe ser un entero; el resto de las celdas deben ser "no datos".
Longitud de flujo La operación aGrid.Flowlength calcula la distancia en el sentido ó en contra de la pendiente ("aguas abajo" y "aguas arriba”, respectivamente) para cada una de las celdas utilizando el tema de dirección de flujo. A cada pixel se le asigna un valor que corresponde a la longitud de flujo máxima en la cuenca. O sea, dado un pixel que podría pertenecer a dos o más redes de drenaje, el programa lo asigna a aquella con la longitud máxima de flujo. El tema resultante puede utilizarse para estimar el tiempo de concentración de la cuenca (Tiempo máximo que tarda el agua en desplazarse del extremo de la cuenca hasta el punto de aforo). La distancia máxima de flujo también puede utilizarse para crear diagramas de distanciaárea para eventos hipotéticos de precipitación-escorrentía dado una superficie que modifique el movimiento del agua a lo largo de la pendiente (Ej. mapa de uso-cobertura, barreras físicas, etc.).
Índice de humedad El índice de humedad, también conocido como índice topográfico compuesto, es igual al logaritmo de la acumulación de flujo (área de aporte aguas arriba) entre la pendiente [(flowaccGrid+ridgeval.AsGrid)/(slopeGrid.tan).log]. El índice es una función de la pendiente y de las áreas que aportan flujo en el sentido de la pendiente; por esta razón áreas planas (Ej. fondo de valles) con un mayor aporte de flujo tendrán un valor más alto, en tanto que las áreas ubicadas en las laderas tendrán valores menores. El índice está asociado a propiedades del suelo tales como profundidad, porcentaje de limo y contenido de materia orgánica (Moore et al. 1993). La extensión Terrain analysis (topocrop.avx; http://arcscripts.esri.com/) permite calcular el índice de humedad a partir del modelo de elevación digital (MED). La fórmula utilizada en el cálculo es:
, donde Aj es el área calculada como (acumulación de flujo + 1 ) *(área pixel m2) y βi es la pendiente en radianes. Procedimiento Antes de iniciar el ejercicio, active la extensión “Terrain Analysis” y asegúrese de que el tema activo es el MED corregido.
26 El factor de suavizado mantiene ó difumina las cimas de las montañas en el producto final. El valor 1 significa que se visualizarán todas las cimas. Índice de humedad media filtrado
Índice de poder del río El poder del río es calculado como el logaritmo del producto del área de aporte por la tangente de la pendiente en el sentido de la dirección de flujo ((flowaccGrid*(slopeGrid.tan)+1.AsGrid).log) (Moore et al. (1993). El valor puede interpretarse como un índice el poder erosivo de la escorrentía sobre el terreno. La fórmula utilizada en el cálculo es: , en donde Aj es el área calculada como (acumulación de flujo + 1) *(área pixel m2) y βi es la pendiente en radianes. Las áreas con fuerte pendiente y con una gran área de contribución de flujo tendrán valores altos; comparadas con áreas planas con poco aporte de acumulación de flujo.
Poder medio del río (filtrado)
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Índice de posición topográfica La extensión Topographic Position Index (TPI) v. 1.3a (Jenness, 2006) calcula el “índice de posición topográfica” a partir de un modelo de elevación digital. Dicho índice se utiliza para clasificar el paisaje utilizando la posición de la pendiente (Ej. cimas y fondos de valles o cañadas) y las geoformas del relieve (Ej. cañones estrechos y de paredes empinados, valles de pendientes suaves, llanuras, etc.).
TPI depende de escala y vecindad Índice de posición topográfica (TPI): Diferencia entre la elevación de una celda y la elevación media de las celdas vecinas. Valores positivos indican celdas mayores que el valor medio y valores negativos celdas menores que la media.
Pendiente
Forma del terreno
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Lo invito a explorar las funciones de la extensión como una actividad individual.
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SECCIÓN 3 Descripción cuantitativa de la cuenca
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Delimitación automática de la cuenca La delimitación automática de la cuenca puede realizarse con las siguientes extensiones: Basin1 (bas1-avx) (9 noviembre 2003) (www.esri.com/arcscripts) y DNR Hydrology Extension (DNRHYDRO.AVX) (Versión 1.7 21 agosto 203) (http://www.dnr.state.mn.us/mis/gis/tools/arcview/training.html) En el presente ejercicio utilizaremos la extensión Basin1. En la sección previa se configuró la extensión y por lo tanto ahora se puede utilizar el siguiente botón
.
Esta herramienta delinea la cuenca hidrográfica a partir de un punto de inicio indicado por el usuario (a). Una vez delimitada la cuenca, el programa calcula las siguientes características: perímetro, área, elevación (máxima, mínima, media, desviación estándar), pendiente (mínima, máxima, media) y longitud de la cuenca (máxima, equivalente y relativa). Area_km2 : Area de la cuenca (A) en Km2 Perimet_km: Perímetro de la cuenca (P) en Km Sl_min_prc : Pendiente mínima de la cuenca en % Sl_max_prc : Pendiente máxima de la cuenca en % Sl_ave_prc : Pendiente media de la cuenca en % El_min_m : Elevación mínima de la cuenca en metros El_max_m : Elevación máxinima de la cuenca en metros El_ave_m : Elevación media de la cuenca en metros El_stdev : Desviación estándar de la elevación de la cuenca en metros L_max_km : Longitud del cauce principal (curso de agua de mayor longitud L) en Km. L_eqv_km: Longitud equivalente de la Cuenca (Le) en Km, calculado como el lado más largo de un rectángulo con un área y perímetro igual al de la Cuenca. Le = (P+(P2-16*A) 0.5)/4. Si P2-16*A < 0 la celda respective en la tabla de atributos no tendrá ningun valor (nulo). El valor P2-16*A = 0 corresponde a un cuadrado y P2-16*A< 0 a un círculo. L_relat : Longitud relative del cauce principal (Lr), esta variable no tiene unidades. Valores grades de Lr indicant que la cuenca es elongada ó un río meándrico. Lr = L/(A)0.5. Procedimiento 1. Haga un clic sobre el icono 2. Con el puntero del ratón haga un clic sobre el sitio que representa el punto más bajo de la cuenca (Ej. ubicación de la estación de aforo) como se muestra a continuación:
.
El punto negro indica el final de la cuenca (Ej. ubicación de estación de aforo). Observe que el punto se ubicó sobre el cauce creado con la función “Create Stream Network” de Ba1 (basin1) (línea azul). La línea celeste muestra la ubicación del cauce según la cartografía 1:25 000.
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La imagen de la izquierda muestra el sistema de drenaje creado por la función “Create Stream Network” de Ba1 (basin1) para un valor de acumulación de flujo de 100. La línea celeste muestra la ubicación del cauce según la cartografía 1:25 000.
3. El programa le pregunta que si analiza el área visible ó la extension total del tema. Responda No para analizar la extension total del MED. Esto asegura que el programa delimite la totalidad de la cuenca. 4. Una vez delimitada la cuenca, el programa le pregunta que si desea calcular las características de la cuenca. Responda Yes.
Características de la cuenca
Las líneas azules corresponden al sistema de drenaje del mapa 1:25000. La correcta delimitación de la cuenca dependerá de calidad del MED y de los temas de dirección y acumulación de flujo. Es muy probable que una vez delineada la cuenca se deba editar para eliminar cualquier error creado por los archivos de insumo. Otras herramientas : Estas herramienta muestra la trayectoria de “una gota” en la cuenca a partir de un punto seleccionado con el puntero por el usuario(a). : Esta herramienta muestra el valor de elevación de un punto seleccionado con el puntero por el usuario(a).
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Delimitación manual de la cuenca Visualice el modelo de elevación digital y el archivo de cauces (rios_lab.shp); simbolice el tema de ríos utilizando el campo “nombre”. Para delimitar la cuenca, seleccione uno de los ríos y cree un nuevo tema (Theme, Convert to shape).
Desde View seleccione New Theme
Seleccione Polygon Nombre del archivo a crear: cuenca_lab.shp (si lo desea puede utilizar el nombre del río seleccionado).
Seleccione el botón del polígono
Utilizando las curvas de nivel y la forma del terreno, delineé el polígono correspondiente a la cuenca del cauce seleccionado. Puede utilizar el botón de Zoom para verificar el límite de la cuenca. Una vez finalizado el proceso de digitalización guarde el archivo en su directorio de trabajo.
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Nota: recuerde que la divisoria topográfica o parte aguas es la línea que indica la elevación máxima entre dos cuencas en dicho lugar.
Calcular área y perímetro de la cuenca Active la extensión "Memo Tools 6.5 (English)" (Memo_Tools.avx) Haga un clic sobre el botón
Observe que el polígono no tiene área ni perímetro. Calcule el área de la cuenca (seleccione MnThm Update Area or Length”): Área: ____________ha. Para calcular el perímetro de la cuenca cargue la extensión Xools y configúrela como se muestra a continuación: Usted debe configurar la ventana de diálogo que se muestra a la derecha sólo la primera vez que utilice la extensión. Para guardar la configuración, haga un clic sobre Save Defaults y luego Close.
Del menú de Xtools, seleccione Calculate Area, Perimeter… y el archivo cuenca_lab.shp
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SECCIÓN 4 Red de drenaje
35 Introducción L a red de drenaje puede crearse con las siguientes extensiones DNRHydro (
[email protected], 2003) y Basin1 (Petrras, 2003). Ambas extensiones utilizan como insumos los temas de dirección de flujo y acumulación de flujo. En el presente tutorial utilizaremos la extensión Basin1 porque además de crear el sistema de drenaje, clasifica automáticamente los segmentos de cauce utilizando los órdenes de Strahler ó las magnitudes de Shreve. Para crear el sistema de drenaje el usuario(a) debe seleccionar el valor de acumulación de flujo a partir del cual se formará un cauce. Se recomienda iniciar con el valor 100. La extensión crea el sistema de drenaje para la totalidad del área cubierta por el MED. Basin1 1. Cargue la extensión Ba1 (basin1). Antes de utilizar las herramientas de la extensión es necesario configurarla como se muestra a continuación. 2. Haga un clic sobre el botón . Observe que la barra de estatus le indica que el tema activo debe ser el MED (en nuestro caso del MED corregido y sin sumideros).
A
C
D
B
Seleccione primero el tema de dirección de flujo (A-B), luego el de acumulación de flujo (CD). 3. Una vez configurada la extensión, haga un clic sobre el botón drenaje.
para crear la red de
Usted debe indicarle al programa el valor de acumulación de flujo a partir del cual se forma un cauce. En este caso se utilizó el valor 100. Cuanto más grande sea el valor, menos cauces serán creados. En la segunda ventana usted debe indicar si desea clasificar los segmentos de cauce utilizando los órdenes de Strahler ó las magnitudes de Shreve.
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Así luce el sistema de drenaje creado por la extensión. Si lo desea puede repetir el proceso utilizando valores de acumulación de flujo de 200 y 300.
Las cimas (divisorias) muestran valores pequeños de acumulación de flujo. Los fondos de los valles muestran los valores de acumulación de flujo y por lo tanto representan los cauces.
El MED representa las condiciones del terreno (depresiones, cimas, y pendientes con diferentes orientaciones). Sin embargo su veracidad dependerá de la escala a la cual se represente el terreno, de su complejidad y del método de interpolación utilizado. La imagen de la izquierda muestra el efecto de errores en la dirección de flujo del MED. La red de drenaje no representa correctamente la dirección del río debido al error introducido por el tema de dirección de flujo.
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Usted recordará que se mencionó que uno de los problemas del método de interpolación de triángulos irregulares es que tiende a crear áreas planas. La grafica de la izquierda explica porqué el algoritmo utilizado para calcular la dirección de flujo no fue capaz de representar correctamente dicha variable. El círculo amarillo indica que existen dos caras del triángulo cuya pendiente es creo y por lo tanto las celdas vecinas trasladarán su flujo a dichas celdas y luego drenaran hacia el este.
Esta grafica muestra el perfil longitudinal del segmento de cauce mostrada en las graficas anteriores. El algoritmo utiliza la pendiente y su orientación para trazar la ruta del cauce. El trazo erróneo se debe a la incapacidad del MED de reflejar correctamente la pendiente y orientación del terreno. La corrección del MED y la eliminación de sumideros crea un modelo de elevación que representa correctamente la elevación del cada pixel y su dirección de flujo.
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Clasificación de cauces: órdenes de Strahler y magnitudes de Shreve En la sección anterior se utilizó la extensión Basin1 para crear el sistema de drenaje y determinar simultáneamente los órdenes de Strahler y las magnitudes de Shreve. Sin embargo en algunas ocasiones usted tendrá que clasificar los segmentos de cauce para un sistema de drenaje existente.
Sistema de drenaje del río Negro En esta sección del tutorial utilizaremos las extensiones Strahler_St_Or (Ayad ali Faris, 2006) y Create Shreve Stream Order (Duncan Hornby, 2006) para asignar los órdenes de Strahler y magnitudes de Shreve del sistema de drenaje del río Negro (rio_negro.shp). Para utilizar dichas extensiones es necesario que la red de drenaje (ríos) esté libre de errores geométricos y topológicos tales como cauces que no se conectan entre sí, segmentos de cauce que se extienden cuando se conectan a otro cauce-muñones ó errores topológicos (secuencia incorrecto de nodos). La extensión ET36.avx -"Edit Tools (ver3.6)"- se utilizará para evaluar la calidad geométrica de la red de drenaje y corregir cualquier error geométrico en la misma. 1. Active la extensión Edit Tools Ver3.6
2. Adicione el tema Rios_negro.shp y Haga un clic sobre
3. Haga un clic sobre Edit Theme
5. Seleccione el archivo Rio_negro.shp
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8. Seleccione a. Full b. Intersect c. All d. Tolerance: digite 0.01 e. Clic sobre “dangling nodes” f. Clic sobre “pseudo nodes”. En la ventana de diálogo seleccione nombre del río. g. Clic sobre Double Lines (método “Full”) h. Close “rings” i. “Close”
6. Haga un clic sobre “Start Editing”. 7. haga un clic sobre “Clean”
Cierre ET Polyline Cierre al extensión Theme, Stop edeting y guarde los cambios.
Ahora, seleccione de MMTm , RecBNo to Table (asigna un valor único a cada segmento
Haga un clic sobre Yes
Digite el valor 1
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Haga un clic sobre OK
Visualice la tabla del tema rio_negro, haga un clic sobre el primer “Fnode_ “ y elimínelo (Edit, Delet Field); luego elimine también el primer “Tonode_” (Edit, Delet Field). Cierre la tabla y vuelva a la vista. Con esto termina el proceso de preparación del archivo y usted está listo para clasificar los segmentos de cauce según Strahler utilizando la extensión Strahler_St_Or (Ayad ali Faris, 2006).
Ordenes de Strahler Active la extensión Strahler_St_Or (Ayad ali Faris, 2006). Haga un clic sobre
Ok 1.
2.
EL programa le pregunta que si el tema posee topología. Responda OK corregir imagen
Seleccione el sistema de drenaje¨; en este caso rio_negro. 3.
4.
El programa crea un tema de puntos con los nodos extraídos del tema rio_negro y los utiliza para extraer valores de elevación de cada uno de ellos. Ok para continuar.
Seleccione el MED corregido y sin sumideros. Ok para continuar. 5.
41 Seleccione nuevamente el sistema de drenaje. En este caso rio_negro. 6.
Seleccione el registro RecNo 7.
Seleccione “Fnode” y Ok 8.
Seleccione “Tnode” y Ok
9.
10.
En este momento el algoritmo inicia el proceso de verificación y corrección entre nodo inicial y final de cada segmento del cauce. OK para continuar
Seleccione el tema Rio_negro_nodes y OK para continuar. 11.
El programa le solicita que índice cuál es el campo que corresponde la identificador único de los nodos. Seleccione Nodeid. 12.
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El programa le solicita que índice cuál es el campo que corresponde a la elevación. Seleccione Elevation. 13.
El programa ha concluido la verificación de los nodos. Ok. Para continuar. 14. Digite Y para iniciar el proceso de asignación de los ódenes de Strahler a los segmentos de cuauce.
15.
OK para continuar 16. El programa le indica que ha concluido el proceso de clasificación. OK para continuar 17. Simbolice los cauces utilizando el campo Strahler´.
Ordenes
43 Control de calidad Usted ha seguido el proceso recomendado por el autor de la extensión y por lo tanto se puede suponer que el resultado es correcto; sin embargo cómo estar seguro que la asignación de órdenes es correcta?. Una de las ventajas de esta extensión sobre las otras mencionadas en la página 12 es que crea un archivo de nodos (Rio_negro_nodes.shp) el cual registra los valores de elevación entre nodos. Dichos valores son utilizados por el algoritmo para decidir en qué dirección deben conectarse los segmentos y de esta manera asignar correctamente los órdenes. Según el sistema de Strahler no es posible que un cauce de orden 3 que se una a otro de orden 2 continúe aguas abajo con el orden 2.
Si usted observa la sección indicada en el círculo notará que un segmento de orden 3 es clasificado aguas abajo como un segmento de orden 2. Esto no es posible en el sistema de Strahler. ¿Cómo explicar el error?
Como se mencionó en la página anterior, el algoritmo utiliza los valores de elevación para asignar la dirección en que se unen los segmentos de cauce. Si usted se acerca a los nodos 38 y 39 y 174-176 notará que ambos tienen el mismo valor de elevación; esta es la razón por la cual el algoritmo no puede asignar correctamente el orden de Strahler a dichos segmentos. La solución es reducir el valor de elevación a los nodos 38 y 176. Asigne el valor 1771 al primero y 1336 al segundo y guarde el tema como rio_negro_nodos.shp. Otro segmento clasificado erróneamente es 174-176 con una elevación de 1336.2666.
Ahora elimine de la tabla de rio_negro.shp los campos Fnode y Tnode y vuelva a realizar el proceso descrito en las páginas 34 a 36. Nota: En el paso 11 utilice el tema rio_negro_nodos.shp en lugar del tema rio_negro_nodes.shp creado por el programa.
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Ordenes
Seleccione los cauces de orden 1 (desde la tabla; utilice el martillo: strahler=1). ¿Cuántos registros seleccionó?___________________ ¿Cuál es la longitud total de dichos cauces? ____________m (Field, Statistics) Repita el proceso para los cauces de orden 2, 3 y 4 Longitud orden 2: ____________m
Longitud orden 3: ____________m
Longitud orden 4: ____________m ¿Cuál es el orden del cauce principal? _______________ ¿Cuál es el orden de la cuenca?____________________ ¿Cuál es la longitud total de cauces?_____________________ ¿Cuál es la densidad de drenaje de orden 1, 2,3 y 4? _____________________ Densidad drenaje orden 1: ___________ ______________
Densidad drenaje orden 3: _________
Densidad drenaje orden 2:
Densidad drenaje orden 4: _________
Magnitud de cauces de Shreve Active la siguiente extensión: Create Shreve Stream Order : Clasifica el sistema de drenaje utilizando las magnitudes de Shreve.
Seleccione del menú de la extensión “Compute Shreve Order”.
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El programa le pregunta que si sus cauces tienen topología, o sea si sus segmentos de cauce poseen los campos From-Node y To-Node. En la sección previa se creó la topología del tema río_ negro.shp y por lo tanto haga responde Yes.
Seleccione el tema rio_negro.shp
Para determinar la ruta a seguir en sistemas de drenaje trenzados, el programa el permite elegir entre “aleatorio” y la “ruta más corta”. Seleccione “aleatorio”.
Seleccione “Fnode” y Ok
Seleccione “Tnode” y Ok
“Yes” para simbolizar la red de drenaje según la magnitud de cada segmento de cauce. Nota: en caso de existir un error en la topología de la red, el programa mostrará el segmento incorrecto de color negro.
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Cauces clasificados utilizando la magnitud de Shreve. ¿Cuál es la magnitud del cauce principal? ________________ ¿Cuál es la magnitud de la cuenca? ________________
Longitud del cauce principal Seleccione el cauce principal y determine su longitud: _______________m Guarde los segmentos seleccionados como r_negro_cp.shp (Theme, Convert to Shapefile) ¿Cuántos segmentos (registros) tiene el cauce principal? _______________.
Pendiente del cauce principal Utilizando las curvas de nivel estime la pendiente media del cauce principal: Elevación máxima: __________m
Elevación mínima: ___________m
Longitud total: ____________m Pendiente media: __________%
Active la extensión LineSlope Analysis Extension (Phil Hurvitz, Junio 9 2005). Haga un clic sobre el botón de la extensión
y seleccione el tema r_negro_cp.
Seleccione el modelo de elevación digital corregido y sin sumideros
Nota: Si utiliza un archivo con muchos segmentos, el programa le mostrará el avance en los cálculos.
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El campo Line_slope muestra la pendiente de cada segmento del cauce principal. Pendiente media: ____ % Pendiente mediana: _____ % Pendiente máxima: _____ % Percentil 90: _____% Percentil 25: _____% (Nota utilice MemoNum, calculate Percentiles).
Perfil del cauce principal Active la extensión Easy profiler.avx (Min-Lang Huang, Junio 1 2001)
Cree una copia del tema r_negro_cp.shp (Theme convert to shape), guarde el nuevo tema como r_negro_cp1.shp. Visualice la tabla del tema y cree el campo “seg”; Tipo : numérico, Ancho: 1. Asigne el valor 1 a dicho campo (Utilizar la calculadora). Active el modo de edición del tema r_negro_cp1.shp (theme, Start Editing). Seleccione todos los segmentos del cauce principal y únalos (Edit, union features). Guarde sus cambios (Theme stop editing). Seleccione el nuevo segmento del cauce principal y luego haga un clic sobre el botón
Seleccione el campo “seg” del tema r_negro_cp1.shp. OK.
Seleccione archivo de curvas de nivel (curvas_lab.shp) y Ok.
48 Seleccione el campo que contiene el valor de elevación (Z) y OK
Seleccione el factor de escala: 1 y OK
El perfil se encuentra en una nueva vista MORFOMETRIAPROFLIE_1.
Perfil longitudinal del cauce principal.
Ahora, visualice la tabla del tema de puntos recién creado: Morfometriaproflie_1.shp. ¿En cuántos segmentos fue dividido el cauce principal?:_______________ ¿Cuál es la elevación máxima y mínima del cauce principal? _______max y _______ min.
49 Desde el menú de la extension Xtools seleccione Open Table in Excel. Nota: La primera vez que utilice esta función debe indicarle al programa donde se encuentra el programa Excel. Utilice EXCEL para crear el perfil del cauce principal.
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SECCIÓN 5 Herramientas para análisis topográfico y de superficies
51 Introducción La extensión Surface Tools (v. 1.6b, Jeff Jenness, Feb. 12 2008) permite realizar los siguientes cálculos a partir de una superficie (Ej. modelo de elevación digital): Tema de puntos: Calcula Coordenadas X, Y del punto Pendiente, aspecto, elevación, área plana, área inclinada, razón (área inclinada/área plana) para un área circular alrededor el punto (búfer). Elevación mínima, máxima, desviación estándar e identifica los puntos de máxima y mínima elevación para el área circular alrededor del punto. Tema de líneas/polilíneas: Calcula Longitud (inclinada y plana) Razón (distancia inclinada/distancia plana) Pendiente mínima, máxima y media, aspecto, elevación Elevación mínima, máxima, media, rango de elevación para los puntos inicial y final Cambio de elevación para la línea (elevación/elevación acumulada). Perfil de la línea Nuevo tema que contiene los puntos mínimo y máximo de la línea. Tema de polígonos: Calcula Área de los polígonos Área plana de los polígonos Razón Área inclinada/ área plana de los polígonos. Estimación de rugosidad del terreno. Área inclinada y volumen para cada polígono con respecto a una altura de referencia. Elevación máxima, mínima, rango, media, desviación estándar para cada polígono. Crear archivo de los puntos máximo y mínimo de cada polígono. Cálculos para el cauce principal Seleccione el tema r_negro_cp1 y seg. OK.
Configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación:
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OK. Seleccione la carpeta en la cual desea guardar los resultados.
OK: Denomine la nueva tabla como r_negro_caract.dbf
OK. Denomine la nueva tabla como cauce_princ_pts_extremos.dbf, OK. Denomine la nueva tabla como r_negro_pts_extremos.dbf, OK.
53 Productos Perfil del cauce principal
Modelo de elevación digital del terreno para el área alrededor de la línea (TIN)
Elev. máxima
Elevación mínima
Cabecera del río
Sección inferior del río
Atributos de la tabla del tema Cp_lab2_1.shp
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Nota: Cuando el tema tiene más de un segmento, el programa calcula las variables para cada uno de ellos.
¿Por qué la distancia en plano (6863.9 m) y en inclinado (7068.8 m) no es la misma? ¿Cuál es la pendiente media del cauce? ______% ¿Cuál es la elevación mínima y máxima del cauce? _________m y _________m.
Características topográficas de la cuenca Seleccione el tema r_negro_cuenca y el ID Field “Id”. OK.
Configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación:
OK.
OK Guarde los resultados del análisis en el archivo c_r_negro_resultados.dbf
55 Guarde los valores de los puntos extremos en el archivo c_r_negro_pts_extremos.dbf. Nota: El proceso puede tomar varios minutos u horas dependiendo del tamaño del archivo y del número de cuencas. Una vez terminado el proceso de cálculo, la tabla del tema Cuenca_lab2.shp tendrá los siguientes campos:
Elevación media de la cuenca El tema activo debe ser Cuenca_lab2.shp Seleccione desde el menú de Analysis, Sumaries Zones..
Seleccione el campo que define las zonas (ID): En este caso solo existe un campo y este campo solo contiene un valor. Si tuviésemos mas cuencas o subcuencas, este campo tendría un valor diferente para cada una de ellas. Seleccione el tema que tiene la variable que se desea resumir: En este caso Med_lab2 (el modelo de elevación digital). Elevación media: ________m Elevación mínima: __________m
Elevación máxima: ___________m Rango de elevación: __________m
Pendiente media de la cuenca Primero, active la extensión “DEMAT” y elabore el mapa de pendiente del área de estudio. Dicho mapa se creará utilizando el modelo de elevación digital.
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Seleccione HORN y Percent Ahora, procederemos a calcular la pendiente media de la cuenca. El tema activo debe ser Cuenca_lab2.shp Seleccione desde el menú de Analysis, Sumaries Zones.. Seleccione el campo que define las zonas (ID): En este caso solo existe un campo y este campo solo contiene un valor. Si tuviésemos mas cuencas o subcuencas, este campo tendría un valor diferente para cada una de ellas. Seleccione el tema que tiene la variable que se desea resumir: En este caso Horn (mapa de pendientes). Pendiente media: _______% Pendiente máxima:______% Pendiente mínima: ______% Rango de Pendiente: _________% Reclasificar pendientes en categorías: El tema activo debe ser Horn. Luego, desde el menú de Analysis seleccione Reclassify Utilice las siguientes clases de pendiente: <2 2-6% 6-15% 15-30% 30-50% 50-75% > 75%
Plano Ligeramente ondulado Ondulado Fuertemente ondulado Escarpado Fuertemente escarpado Montañoso
Calcular áreas por categoria de pendiente para la cuenca Abra la tabla en EXCEL y elabore gráfica de Clase de pendiente Vs Área.
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Pendiente %
Elevación, pendiente y aspecto medio de la cuenca La extensión lms_analyst.avx le permite calcular directamente la elevación, pendiente y aspecto medio de la cuenca (o cuencas) a partir del modelo de elevación digital (se omite la creación del mapa de pendiente y aspecto). Active la extensión LMS Analyst. Seleccione Zonal Topgraphy
Configure la ventana de diálogo como se muestra a continuación: Batch Calculation: calcula todas las métricas (elevación, pendiente y aspecto) Polygon Theme: tema para el cual desea calcular sus métricas Polygon ID Field: campo para el cual usted desea calcular metricas. En nuestro caso indica el código de cada cuenca. Z-Value Grid Theme: Tema con los valores de elevación.
58 El programa crea los siguientes campos en la tabla del tema: Indentificador de la cuenca Media de aspecto Elevación media (m) Elevación mínima (m) Elevación máxima (m) Pendiente media % Pendiente máxima % Pendiente mínima % Pendiente media grados Pendiente máxima grados Pendiente mínima grados
Pendiente en varias direcciones Active la extensión Direccional slope. El tema activo debe ser Med_lab2. Luego, haga un clic sobre el botón Calcula pendiente en 9 direcciones (norte, noreste, este, sureste, sur, suroeste, oeste, noroeste) Si desea calcular la pendiente en una dirección específica (0 a 360 grados) haga un clic sobre el botón Calcula la pendiente en una dirección específica (0 a 360 grados)
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Anexo 1: Creación de modelos de elevación digital con “Contour Gridder" (CGv1.avx) Esta extensión le permite crear un modelo de elevación digital del terreno a partir de curvas de nivel. Usted puede definir un valor de extrapolación de la curva, evitando las áreas planas en lomas típicas del interpolador TIN. Una desventaja del método es su lentitud. Si usted utiliza la extensión en un área grande contabilice el tiempo en horas y no en minutos.
Stuckens, Jan. 2003. CGv1.avx. Contour Gridder. Disponible en: www.esri.com/arcscripts.
