introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
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1 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Pedro Rau Investigador asociado. Universidad Nacional de Ingeniería. FIC. IMEFEN. Lima. Perú
praul@uni.pe
Tutorial 1: Obtención de curvas de nivel desde el Google Earth a través del
Autocad Civil 3D 2012
La aproximación cartográfica de cuencas, siempre está limitada a la disponibilidad de datos,
generalmente es en las microcuencas o quebradas donde es casi imposible de encontrar
detalles a escalas necesarias. Esta vez desarrollaremos un tutorial sobre la extracción de
curvas de nivel en una microcuenca contenedora de un santuario rupestre (Pintish Machay)
con el fin de incrementar la base de datos en esta área (Tarma, Perú).
1. Observaciones: En vista que la versión del Autocad Civil 3D 2013 ya no trae consigo la
interface de intercambio con el Google Earth y que Autodesk ya no proporciona la utilidad
gratuita para hacerlo directamente desde el Autocad 2012 y tampoco hay planes para su
actualización al Autocad 2013. Hemos visto por conveniente actualizar un post anterior
realizado para el Autocad Civil 3D 2008. Los resultados de esta actualización en el Autocad
Civil 3D 2012 es muy satisfactorio, por ello nuestro deseo de compartirlo con todos ustedes.
2. Recomendaciones: a. Es cierto que podemos obtener curvas de nivel a cada metro desde el Google Earth, pero
nunca esta aproximación por interpolación triangular se asemejará a una topografía en campo.
b. Es posible su empleo en la realización de estudios a nivel perfil o en la obtención de
resultados donde el metrado de áreas y longitudes sea expresado en grandes escalas (Km o
Km2).
c. El ajuste y corrección de las curvas obtenidas depende en gran manera del conocimiento en
campo, se recomienda comparar con levantamientos topográficos realizados en campo
cercanos a la zona del proyecto o cartografía regional.
d. Preferible de emplearlo en áreas agrestes de topografía encañonada o montañosa. En las
áreas llanas o de desembocaduras, las curvas requieren un mayor ajuste llegando incluso a
estar fuera de la realidad.
3. Comencemos: a. La imagen de Google Earth deberá tener una altura máxima de 8 a 10 Km, esto se puede ver
en la parte inferior derecha del programa. La razón es debido a la curvatura terrestre, si
pudiereis analizar con alturas mayores y comparar con una cartografía o topografía real, se
obtendría áreas proyectadas menores a las reales. Después se deberá configurar el sistema
geográfico bajo el cual se trabajara (en este caso UTM) en la pestaña Herramientas ->
Opciones.
2 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Fig. Desde el Google Earth visualizar desde una altura máxima aprox., de 10Km.
2. En el Autocad Civil 3D 2012, ya no es necesario emplear ningún tipo de plantilla, solo
configurar directamente el “Drawing1” por defecto, ubicarse en la columna izquierda e ir a la
pestaña vertical Settings. En dicha ventana trabajar con una escala recomendable de 1:500
(variable), escoger el Datum (en este caso UTM WGS84) y la zona respectiva para el sistema
de coordenadas (Zona 18 Sur, en esta zona de Perú). Click en Apply y después Ok.
Fig. Configuraciones del sistema de coordenadas en el Autocad Civil 3D 2012 (deberá ser
similar al del Google Earth).
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3. Ir a la pestaña Insert, y aparecerá las opciones de Google Earth, elegir Google Earth
Images and Surface. Después aceptar el uso de coordenadas establecidas. Esta opción
permite directamente georeferenciar la imagen con el sistema geográfico del Google Earth y
del Autocad Civil, para ello verificar la orientación Norte de nuestra imagen en el Google
Earth.
Figs. Exportando los datos desde el Google Earth
4. Una vez obtenido las curvas de nivel como bloque, podemos visualizar el modelado del
terreno en 3D, para ellos hacer click derecho en el bloque y seleccionar Object Viewer, en la
ventana de visualización elegir el método "Realistic". Esta ventana puede grabarse como
imagen, cerrarla y continuar trabajando con el bloque de curvas.
4 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Figs. Visualización de las curvas de nivel.
5. Para editar la separación del desnivel y el numero de curvas en el bloque obtenido, hacer
click derecho en el bloque de curvas y elegir Surface Properties, podemos elegir por defecto
el valor de 2m de desnivel en curvas secundarias y 10 m como principales, o incluso elegir 1m
de desnivel como secundarias y cada 5 m las principales, eso queda a vuestro criterio.
5 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Fig. Surface Properties.
6. Finamente, obtenemos las curvas de nivel como polilíneas (con su cota respectiva en
propiedades) haciendo uso del comando "Explode" seleccionando todo el bloque, podemos
eliminar la imagen del Google Earth que se encuentra como fondo. Posteriormente es
obligatorio el traslape de otras fuentes de información, en este caso poseemos la cartografía de
este sector con curvas de nivel cada 50 m (líneas naranjas), una capa de ríos y quebradas
(color cyan) con lo cual podemos ajustar las curvas obtenidas. El resultado es una cartografía
más detallada en zonas agrestes. Específicamente la zona de interés, un macizo kárstico con
presencia de cuevas tuvo una representación aceptable.
Fig. Comparación de curvas obtenidas desde el Google Earth y cartografía de gran escala.
6 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Tutorial 2: Representación raster del terreno, delimitación de cuencas y
aproximación a su comportamiento hidrológico a través del ArcGis 10.
La caracterización fisiográfica de una cuenca consiste en describir sus diferentes formas
superficiales en función de parámetros altimétricos y planimétricos capaces de modelar la
cartografía de una unidad hidrográfica. La parte esencial de este análisis representa la
delimitación de cuencas, la cual desde el punto de vista cartográfico se ha visto beneficiada
por la tecnología y ahora es posible de obtenerlas de forma exacta y rápida como parte de una
base de datos visual y numérica. Por otro lado, las antiguas metodologías para la estimación
de estos parámetros geométricos en relieves complejos aun se resisten a desaparecer y de vez
en cuando se convierten en irrefutables herramientas en el tablero y campo.
1. Representación raster del terreno
La delimitación de pequeñas cuencas y la identificación de sus redes de flujo, bien pueden
realizarse a pulso, mediante algún software de dibujo a escala como el Autocad o el propio
ArcGis, el cálculo de su geometría también puede realizarse independientemente. Pero si
tratamos con superficies de mayor extensión y complejidad, el trabajo se transforma en algo
tedioso, pudiendo incluso perder la precisión debido al error humano. Para ello es necesario el
empleo de entidades digitales capaces de representar la topografía de la cuenca y extraer
numéricamente sus parámetros en un tratamiento pixel por pixel. Este formato del tipo
grillado se denomina raster de elevación y se genera a partir de las curvas de nivel o también
pueden obtenerse a partir de misiones cartográficas satelitales vía internet.
1.1. Raster obtenido a partir de curvas de nivel
Es la forma más exacta de representar un raster, se realiza con los datos propios de una
topografía. Si poseemos alguna capa de curva de nivel (formato .shp) con las cotas respectivas
pero sin estar referenciada a algún sistema de coordenadas, el proceso es el siguiente:
1.1.1. Abrimos el ArcGis10 y cargamos las capas con el botón Add data (en este caso:
curvas.shp que contiene las cotas en cada polilínea y ríos.shp que solo servirá de
referencia; definimos el sistema de coordenadas (obligatorio en el ArcGis10, si no
definimos el sistema de coordenadas, las herramientas y extensiones no trabajaran),
para ello ir a: ArcToolbox - Data Management Tools – Define Projection y cargar
la capa a definir la coordenada (curva.shp) y colocar en este caso el sistema UTM-
WGS84-Zona 18 Sur (en el listado Select - Projected Coordinates - UTM - WGS84 -
Southern Hemisphere). Se generara otra capa con el sistema de coordenadas indicado
(ejm: curvas_project3).
7 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
Fig. Definición del sistema de coordenadas
1.1.2. Si se tiene una extensa información topográfica, a veces es necesario definir mediante
un polígono el área de estudio (cuidando de no cortar la cuenca de interés), siendo este
ítem 1.1.2, OPCIONAL. En el ArcGis10 abrimos el ArcCatalog - en el
directorio, elegir la carpeta de trabajo, click derecho – New – Shapefile - Otorgar un
nombre (ej: limite.shp), el tipo (Polygon) y el sistema de coordenadas de trabajo – Ok.
Para dibujar el polígono ir a Editor - Start Editing (o dar click derecho en la capa
limite.shp generada – Edit Feature – Start Editing), se abrirá una ventana derecha
llamada “Create Features” en donde se mostraran las capas a editar, seleccionamos
limite.shp y se activaran inferiormente las formas de dibujo, seleccionar Polygon y
estaremos listos para dibujar. Al término del dibujo dar dos clicks y Stop Editing. [Si no se mostrara la capa vacía a dibujar dentro de la ventana Create Features, se deberá configurar:
previamente: hacer stop editing y se cerrara la ventana Create Features; después dar click derecho a la
capa (vacía) – Edit Feature – Organize Feature Templates – New template y activar las capas de
interés.]
8 Tutorial: Introducción a la caracterización fisiográfica de microcuencas
1.1.3. Mantenemos la metodología clásica que se viene empleando desde el ArcView, esto
es, definir primero un TIN (Modelo Digital del Terreno) para su posterior conversión
en Raster (Grid). En el ArcGis 10 se deberán activar las extensiones 3D Analyst y
Spatial Analyst, en el menú superior Customize. Después activar las siguientes
opciones clásicas: Create TIN from feature y Tin to Raster, esto es posible dando
click derecho en el menú de herramientas - Customize – pestaña Commands –
seleccionar 3D Analyst y aparecerán todas sus herramientas - elegir esas dos opciones
clásicas y arrastrarlos al menú 3D Analyst creado en la barra de herramientas.
El proceso ya es conocido, dar click en Create TIN from feature, elegir la capa ejm:
curvas.shp y seleccionar como Height source al nombre de la columna donde se
ubican las cotas (en este caso Z) en el modo de triangulación le damos la categoría de
Soft, después elegimos la capa del polígono limite (dibujado previamente) y elegir
None como Height Source. Dar la ruta y nombre donde grabar el TIN a generarse.
Fig. Creación del TIN
Una vez obtenido el TIN, dar click en TIN to Raster en el menú 3D Analyst,
seleccionar el TIN obtenido, el atributo de elevación y el tamaño de las celdas del grid,
podemos colocar 10 m para nuestro caso. Dar la ruta y nombre del Grid a generarse.
Fig. Conversion a un raster de 10x10 m
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1.2. Raster obtenido del proyecto ASTER GDEM (Global Digital Elevation Map), en
conjunto con la NASA (EEUU) y METI (Japón), se convierte en la mejor aproximación
topográfica del planeta con una resolución de 30 m x 30 m por grilla. Fue puesto a disposición
el año 2009 vía subscripción en la página web siguiente: http://www.gdem.aster.ersdac.or.jp/
Figs. Superior - Cuadro de selección de grillas con varias opciones, incluso para cortar el
raster con un polígono definido por el usuario. Inferior - Resolución del raster, se empleo una
capa de ríos oficial para verificar la definición de quebradas y valles, siendo muy satisfactorio
dicha comparación.
1.3. Raster SRTM de la misión topográfica Radar Shuttle, NASA-NGA. Hasta ahora es la
topografía del planeta con mayor uso con una resolución de 90 m x 90 m por grilla. Está
disponible gratuitamente desde el sitio web:
http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp
Se selecciona la grilla de trabajo, después en el botón: “Click here to begin search” y
continuar los pasos para descargar.
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Fig. Grillas globales del SRTM.
OBSERVACION: Los ítems 1.2 y 1.3 ofrecen rasters en coordenadas Geográficas, su
conversión respectiva al sistema UTM se deberá efectuar en el ArcGis 10. Para ello ir a
ArcToolbox – Data Management Tools – Projections and Tranformations – Raster – Project
Raster y definir las coordenadas geográficas de origen y la de salida: UTM WGS 84 Zona 18
sur para nuestro caso. Se realizara la conversión y se generara una raster proyectado. Para su
visualización correcta de unidades deberá configurarse el área de trabajo en View – Data
Frame Properties – Coordinate System y elegir las coordenadas nuevas UTM.
2. Delimitación de cuencas y aproximación a su comportamiento
hidrológico En el ArcGis 10 viene incluido la aplicación Hydrology dentro de la extensión Spatial
Analyst, esto nos permitirá obtener rápidamente el límite de la cuenca, así como su red de
drenaje.
2.1. Cargamos el Raster de la zona de estudio (obtenido en 1) y pulsar en ArcToolbox –
Spatial Analyst Tools – Hydrology. Comenzamos con la aplicación Fill para poder rellenar y
completar aquellas zonas no bien definidas en nuestro raster, elegimos el raster y damos OK
(podemos otorgar un límite de cota Z, es opcional).
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Fig. Relleno de vacios del raster.
2.2. Pulsamos en Flow Direction, para obtener el raster de dirección del flujo.
Seleccionamos el raster rellenado y OK. De igual modo continuamos con Flow Acumulation,
seleccionando el raster Flow Direction en la ventana respectiva y OK.
Fig. Raster de dirección del flujo.
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Fig. Red hidrográfica vía la acumulación del flujo.
2.3. El raster Flow Acumulation, muestra una red hidrográfica aproximada muy densa en el
mayoría de casos, para poder reducir esta densidad y evitar identificar como curso de agua
cualquier depresión continuo del relieve, se empleara la herramienta Con (condicional) con el
cual es posible disminuir esta densidad en función del Value de esta identidad. Pulsamos en
Spatial Analyst Tools – Conditional – Con. Dentro de la casilla Expression, colocar la
relación VALUE > 500 con el cual se reducirá la densidad del sistema de drenaje (a mayor
valor se obtendrá menos densidad, recomendable aumentar dicho valor en cuencas de mayor
extensión).
Fig. Edición de la densidad de la red de drenaje.
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2.4. Continuamos con las herramientas hidrológicas del Spatial Analyst, pulsamos sobre
Stream to Feature, para extraer la red de drenaje y convertirla en un .shp. En dicha ventana
seleccionamos el raster condicionado en el paso anterior y el raster del Flow Direction y OK.
Fig. Extracción de la red de drenaje.
2.5. La definición de la cuenca hidrográfica será posible con la definición de un punto de
salida (en formato shape e interpolado con el raster). Creamos una capa tipo punto en el Arc
Catalog , dibujamos el punto de salida. Después pulsamos en el ArcToolbox - 3D Analyst
Tools - Functional Surface - Interpolate Shape, para obtener nuestro punto con su coordenada
(Este, Norte, Cota). Si se desea obtener cuencas desde varios de puntos de salida, esta capa de
puntos puede contener todas las salidas de interés y con el proceso siguiente es posible
obtener todas las cuencas deseadas. Vamos a Watershed y seleccionamos el raster de Flow
Direction y la capa de puntos y OK.
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2.6. Una vez obtenida la cuenca delimitada en formato raster, se procede a convertirla en
formato .shp, para ello pulsamos en ArcToolbox – Convertion Tools – From Raster – Raster
to Polygon. En la ventana correspondiente seleccionamos la cuenca raster delimitada y OK.
Fig. Obtención de la cuenca en shape a partir del raster
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2.7. Para la obtención de los parámetros de la cuenca, sugerimos lo siguiente.: El área y
perímetro de la cuenca se encuentra en la tabla de datos del mismo shape . La capa shape de la
red de drenaje, permitirá seleccionar el curso principal e ir sumando los tramos identificados
en la tabla de datos, con ello se obtendría la longitud del curso principal de la cuenca. La
pendiente media de la cuenca, es posible obtenerla con la generación de un raster de
pendientes desde un TIN (en el paso 1.1.3 se obtuvo un raster de elevaciones desde un TIN).
Simplemente escoger el atributo Slope (as percentaje) en lugar de Elevation, después
interpolar la capa shape de la red hídrica con respecto a este raster de pendientes obtenido, y
se obtendrán las pendientes de los cursos de agua, en general puede promediarse este valor o
en su defecto hacer un análisis con reclasificación en el Spatial Analyst Tools.
En nuestro caso:
Se obtienen los siguientes datos:
Área de la cuenca (A) = 12.04 Km2
Perímetro de la cuenca (P) = 18.25 Km
Longitud del curso principal (L) = 7.19 Km
Pendiente media de cuenca = 7%
Podemos cuantificar y describir el comportamiento de la cuenca desde el punto de vista
fisiográfico mediante el cálculo de algunos índices de forma:
Factor de forma de la cuenca = Area / Longitud 2 = 0.23, si tiene un menor valor entonces
tiende menos a concentrar las intensidades de lluvia
Indice de compacidad (índice de Gravelious) = 0.28 P / √A = 1.47; es una cuenca alargada y
reduce la posibilidad de ser cubierta totalmente por una tormenta
© 2012 Hydronotes Eds.
Fuente:
https://www.slideshare.net/Hydronotes
http://pedrorau.blogspot.com
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