Generación de un Modelo Digital Batimétrico

Generación de un Modelo Digital BatimétricoGuía de Campo y Laboratorio

Proyecto PAPIME, DGAPA-UNAM.“RealReefs: Plataforma digital de entrenamiento para evaluación de arrecifes coralinos.” Clave PE100910Responsable: Dr. Joaquín Rodrigo Garza Pérez • email: [email protected]

PIESACOM • UMDI-Sisal, Facultad de Ciencias, UNAM

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mailto:[email protected]

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Reconocimiento

La presente Guía es un producto derivado directamente del Proyecto “RealReefs: Plataforma digi-

tal de entrenamiento para evaluación de arrecifes coralinos.” Financiado por la Dirección Gene-

ral de Asuntos del Personal Académico (DGAPA), en su Programa de Apoyo a Proyectos para la

Innovación y Mejoramiento de la Enseñanza (PAPIME), en su Convocatoria 2009. Clave

PE100910, primera etapa.

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Índice

Como Usar Esta Guía! 4

Introducción! 5

Consideraciones Preliminares! 6

Materiales Necesarios 6

Métodos 7

Caso de Estudio: Akumal! 11

Modelo Batimétrico Digital 11

Materiales y Software Utilizados 11

Planeación 13

Relevamiento batimétrico y generación de base de datos. 14

Modelo Digital Batimétrico 17

Bibliografía! 18


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Como Usar Esta Guía! El presente documento está dirigido al apoyo a la enseñanza en niveles superiores para

estudiantes de programas de licenciatura y posgrado en áreas afines a las ciencias ambientales.

Complementa específicamente los siguientes cursos obligatorios de la Licenciatura en Manejo

Sustentable de la Zona Costera de la UMDI-Sisal, Facultad de Ciencias:

• Métodos de Campo y Laboratorio.

• Estancia de Investigación I,II y III.

Y los siguientes cursos optativos, tanto de la Licenciatura en Manejo Sustentable de la Zona Cos-

tera de la UMDI-Sisal, Facultad de Ciencias, como del Programa de Posgrado del Instituto de

Ciencias del Mar y Limnología, UNAM:

•Sistemas de Información Geográfica.

•Percepción Remota.

! En primera instancia se presenta una procedimiento generalizado para la generación de

modelos digitales batimétricos y a continuación se expone un caso de estudio con sus caracterís-

ticas metodológicas particulares.

Importante:! Para implementar las actividades en esta guía se requieren conocimientos y habilidades

previas, tales como manejo básico de datos tabulares, conocimiento básico en modelación mate-

mática y conocimientos básicos de cartografía. Asimismo, el software necesario para generar un

modelo digital batimétrico, no se encuentra instalado comúnmente en computadoras personales.

Esta guía no sustituye el aprendizaje presencial, ni la supervisión directa por parte de un profesor.


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Introducción

! Las arrecifes coralinos y sus ecosistemas asociados son notablemente complejos. Las ca-

racterizaciones geomorfológicas y batimétricas precisas son productos de información escencia-

les para la comprensión de estos importantes ecosistemas, en particular como información base

para estudios de modelización que involucren elementos espaciales.

La profundidad del agua está asociada directamente con variables tales como la temperatura, el

oxígeno disuelto, la intensidad de la luz, entre otros (Goreau 1959, Glynn 1973, Done 1983), y de

la modo la profundidad es un factor indirecto de regulación que controla la distribución y abun-

dancia de los componentes bióticos del arrecife. Adicionalmente la geomorfología arrecifal posee

una influencia directa en el intercambio de materia y energía del arrecife por su influencia en la

circulación del agua en el sistema, que a su vez esta asociada con los procesos de conectividad,

dispersión y asentamiento larvario. La complejidad topográfica o rugosidad es también un indica-

dor ecológico de la estructura espacial del hábitat y puede ser estimada y representada conjunta-

mente con la estructura geomorfológica por medio de un Modelo Digital Batimétrico.

El método tradicional (y mas barato) para obtener modelos batimétricos y geomorfológicos digi-

tales en 3-D, en ecosistemas arrecifales es por medio de relevamientos batimétricos directos en

campo utilizando ecosondas comerciales/recreativas, y combinar la información obtenida de esta

manera con modelación por métodos geoestadísticos (Kvernevik et al. 2002, Ecochard et al.

2003, Garza-Pérez et al. 2004, Hogrefe et al. 2008entre otros).

Esta aproximación requiere comúnmente de trabajo de campo intensivo y proporciona modelos

en 3-D con una resolución espacial horizontal media.


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Consideraciones PreliminaresMateriales Necesarios

1. Ecosonda con GPS integrado, de preferencia con transductor de frecuencia doble

200/50 kHz

★ Se debe de considerar la capacidad del aparato para archivar los datos de pro-

fundidad y posición geográfica. En caso de que la ecosonda no presente esta fun-

cionalidad se debe de utilizar además un dispositivo externo para registro conti-

nuo de datos (p.ej. Datalogger, Netbook).

★ Dependiendo de la embarcación que se utilice se podría necesitar una batería

(12 v, ciclado profundo) para proporcionar energía a la ecosonda y el dispositivo

de registro de datos. Considerar la necesidad de adaptadores de voltaje y cone-

xiones eléctricas necesarias.

2. Cables de datos y software necesarios para transferir la información a una computado-

ra. Considerar la necesidad de adaptadores para diferentes cables a diferentes puertos de

comunicación de la computadora (p.ej. adaptador de puerto serial a puerto USB, lector

de tarjetas de memoria).

3. Software

★ Para importación de datos a partir de la ecosonda o el dispositivo externo de

registro.

★ Para el procesamiento de datos tabulares (hoja de cálculo o de bases de datos).

★ Para geoestadística.

★ Google Earth (versión gratuita, http://www.google.com).


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http://www.google.com

http://www.google.com

4. Computadora personal con sistema operativo y hardware adecuado para operar los

softwares antes mencionados, de preferencia con conexión a internet.

Métodos

1. Planeación.

! Se debe de considerar el tipo de ambiente que se va relevar batimétricamente (arrecife

coralino, laguna costera, zona sublitoral, etc.), y de ser posible se debe de recopilar información

previa de la zona (cartas náuticas). Para planear adecuadamente la mejora de la información exis-

tente o la generación de información base.

La utilización del software gratuito Google Earth para la visualización del área de estudio nos

puede ser muy útil si nuestra zona de interés se encuentra cercana a la costa y si existe cobertura

de imágenes de alta resolución del área. La utilidad principal será para establecer la extensión del

área de interés, trazar rutas de navegación para el relevamiento batimétrico y recopilar las coor-

denadas geográficas de los vértices de nuestras rutas de navegación.

Estas coordenadas se deben de introducir a la ecosonda como rutas de navegación que puedan ser

seguidas en tiempo real por la embarcación.

Antes de salir a campo siempre se debe realizar una revisión del pronóstico del tiempo en el área

de interés, particularmente para este tipo de actividades de relevamiento batimétrico. En primer

lugar por la seguridad de los participantes y en segundo lugar porque una superficie en calma y

con poco viento, mejorará las posibilidades de una navegación precisa y un registro de datos con

menos errores.

2. Relevamiento Batimétrico.

! En primer lugar se deben de seguir las instrucciones de montaje del sensor de la ecoson-

da en la embarcación, de conexión al sistema eléctrico de la embarcación y se debe de probar el

correcto funcionamiento de la ecosonda, el sensor y en su caso del dispositivo externo de regis-

tro. De preferencia estas pruebas se deben de realizar en una zona somera y cercana al punto de


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partida de la embarcación (embarcadero, muelle, marina, etc.) para, en caso necesario, se pueda

regresar a tierra a efectuar ajustes o reparaciones.

Una vez confirmado el correcto funcionamiento de todo el conjunto de aparatos, cables y senso-

res, se iniciará el registro de los datos de posición y profundidad y se seguirán las rutas preesta-

blecidas de navegación a una velocidad moderada, vigilando en todo momento la continuidad del

registro del dato de profundidad.

3. Generación de Base de Datos.

! La captura diaria de los datos de relevamiento batimétrico en un medio de respaldo adi-

cional (medios magnéticos -disco duro externo, memoria USB-, otra computadora, medios ópti-

cos -CD’s, DVD’s- ) es esencial para evitar pérdidas. Una vez completadas todas las rutas de na-

vegación pre-establecidas y de haber respaldado los registros originales, se procederá a importar

los archivos a bases de datos tabulares que deberán ser filtradas para eliminar registros nulos (con

datos faltantes de posición y/o profundidad) y registros repetidos, así como columnas de infor-

mación no necesaria.


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NOTAS IMPORTANTES:

✓ Mantener una velocidad de navegación moderada es importante por dos motivos: A

mayor velocidad se obtienen menos puntos de registro por unidad de distancia recorrida,

y para nuestro propósito, mientras mas puntos se registren, mejor va a a ser la resolución

espacial de nuestro producto final. A altas velocidades el sensor puede perder la señal de

regreso y esto ocasionará retrasos en los recorridos y vacíos de información en la base de

datos.

✓ El área sondeada por el haz generado por la ecosonda se incrementa proporcionalmen-

te a la profundidad a la que esté el fondo y la señal de regreso no necesariamente refleja

la porción mas profunda en esa área, sino que podrá ser el registro de profundidad de

cualquier objeto o superficie que se encuentre en esa área. Por esta razón, una vez más, la

navegación a una velocidad moderada ayudará a reducir el error en los registros de pro-

fundidad.

La importación de los registros originales de campo puede ser por dos vías, la primera puede ser

utilizando el software provisto por los fabricantes de la ecosonda, que permita importar los archi-

vos de registro y exportarlos a archivos tabulares. O, utilizando la consola de comunicación del

puerto serial de la computadora conectado al dispositivo externo de registro, que generará un

archivo de texto delimitado que puede ser importado a su vez a software de hoja de cálculo o de

bases de datos.

Los archivos de registro originales están ordenados en tablas, por columnas de tipos de datos y

renglones que corresponden a registros individuales. Generalmente en estos archivos existen co-

lumnas que indican la validez de cada tipo de dato registrado. en este caso eliminaremos todos los

registros que contengan el código “F” (false) en la validación tanto de la posición geográfica (in-

dicando que no se tenía una posición verdadera) como en la profundidad (indicando que el valor

de profundidad no es correcto). Asimismo los casos en que existan celdas vacías o códigos

“NULL” tanto en las columnas de las coordenadas geográficas como en las de profundidad.

Las tablas filtradas finales deben de presentar de preferencia, únicamente cuatro columnas, dos

de coordenadas geográficas, una de profundidad y otra de identificación del registro. Los regis-

tros filtrados de todas las tablas se deberán copiar a un solo archivo de texto delimitado, en un

formato legible por el software de geoestadística (delimitado por comas, delimitado por tabula-

ciones, etc). Este archivo final de registros filtrados debe de respaldarse también, como los archi-

vos originales.

4. Pre-procesamiento.

! En el caso de que nuestra área de interés se encuentre cerca de la costa (p.ej. arrecifes

frontales, lagunas costeras y arrecifales), será necesario digitalizar la línea de costa presente a to-

do lo ancho (o largo) de nuestros barridos y digitalizar asimismo una porción de tierra firme in-

mediata a la costa. Esto responde a la necesidad de proporcionar datos reales al análisis para deli-

mitar la zona marina de tierra y que éste no se genere automáticamente datos en zonas en donde

no existen datos. Las técnicas de geoestadística (p.ej. kriging) funcionan trazando limites espacia-

les en los extremos de los registros de la matriz de datos, generalmente formando superficies rec-

tangulares o cuadradas y rellenando los espacios vacíos con datos generados por el análisis artifi-

cialmente. Si no se tiene especial cuidado en añadir los datos correspondientes a la línea de costa


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(profundidad 0) y de una porción de tierra, el análisis generará una superficie con las mismas ten-

dencias a los registros existentes de profundidad mas cercanos a la costa.

La digitalización de la línea de costa y la porción terrestre se puede realizar directamente en el

software de geoestadística exportando los datos de posición a un formato de texto fácilmente edi-

table, o en el software Google Earth, exportando los archivos .kmz, los cuales habrán de ser tra-

ducidos y exportados a archivos vectoriales o de texto delimitado.

5. Análisis Geoestadístico.

! Para el análisis geoestadístico se utilizará la base de datos final que incluirá todos los re-

gistros de profundidad filtrados, y en su caso los datos de línea de costa y porción terrestre. Típi-

camente se realizan análisis espaciales exploratorios antes de hacer la interpolación, para observar

y describir las tendencias batimétricas, así se puede escoger el mejor modelo basando la decisión

en los resultados de las validaciones estadísticas. El resultado del análisis geoestadistico es una

matriz de valores interpolados, esta matriz puede ser exportada como capa raster a un sistema de

información geográfica, o puede ser visualizada en forma de superficie continua en 3-D, superfi-

cie de malla, mapa de relieve con sobras o un mapa de isolíneas.


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Caso de Estudio: AkumalArrecife Akumal, Quintana Roo, México

MODELO BATIMÉTRICO DIGITAL

Materiales y Software Utilizados

1. Ecosonda Garmin GPSMap 170 Sounder, con transductor 50/200 kHz, de montaje en espejo

de popa. (Figura 1)

2. Unidad manual GPS Garmin modelo GPS 76, con cable de comunicación a PC (puerto serial).

3. Datalogger Brookhuse, con cable de datos de especificación NMEA (Figura 2)

4. Batería de 12 v, de ciclado profundo.

5. Soporte removible para transductor.

6. Cable serial (RS-232) con convertidor a USB (Figura 2).

7. Computadora personal con sistema operativo Windows XP Profesional (Figura 3).

8. Hielera grande 45.4 L.

9. Hyperterminal, (Herramienta de comunicación para puerto serial incluida en Windows XP).

10. Driver para reconocimiento de adaptador de cable serial a USB.

11. Sistema de Mapeo de Superficies, Surfer v. 8.0 (Golden Software Inc.)

12. Hoja de cálculo, Microsoft Excel 2003 (Microsoft Corp.)

13. Editor de texto, Microsoft Notepad v. 5.1 (Microsoft Corp.)

14. Software de sistemas de información geográfica, ArcView v. 3.2a (ESRI Inc.), con extension

Spatial Analyst v. 2.0 (ESRI Inc.), extensión DNR Garmin v. 5.0.4 (Minnesota Dept. of Natural

Resources), y extensión Surfer v. 2.5 (Johannes Weigel).


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Figura 1. A) Ecosonda GPSMap 178 Sounder de Garmin, con antena integrada, B) Transduc-

tor de frecuencia dual 50/200 kHz, para montaje en espejo de popa.

Figura 2. A) Datalogger Brookhouse con conexión de entrada a cables de datos NMEA y de

salida a puerto serial y conexión de salida a puerto serial (B), C) Pinzas para conexión a ba-

tería de 12v, D) Cable de corriente y datos para ecosonda, E) Cable de conexión a transduc-

tor, F) Cable USB con adatador a puerto serial y CD de instalación de driver.PIESACOM • UMDI-Sisal, Facultad de Ciencias, UNAM

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Figura 3. Computadora personal con sistema operativo Windows XP y software necesario pa-

ra la generación del modelo digital batimétrico.

Planeación

! Se realizó la planeación del relevamiento batimétrico en campo con ayuda del software

ArcView v3.2a, sobre una imágen satelital de alta definición de la zona de Akumal en Quintana

Roo, México. Se seleccionó un área de 580 hectáreas correspondiente a la zona de laguna arreci-

fal, frente y pendiente. Por medio de líneas en zig-zag para se cubrió el área de interés para efec-

tuar los barridos con la ecosonda (Figura 4). Estas líneas fueron exportadas a una ruta de navega-

ción en la unidad manual de GPS utilizando la extensión DNR Garmin v. 5.0.4. (Figura 5).


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Figura 5. Area de estudio en la zona de Akumal, Quintana Roo México. El área delimitada en

rojo (580 ha.) corresponde a la zona de desarrollo arrecifal. Las líneas verdes corresponden

a la propuesta del relevamiento batimétrico previa a campo.

Relevamiento batimétrico y generación de base de datos.

Se realizaron los barridos con ecosonda en el frente y pendiente arrecifal y en una porción de la

laguna arrecifal, y se obtuvieron 3,050 puntos con registro de coordenadas y profundidad (x,y,z),

después de filtrar los registros con datos de posición o profundidad faltantes (Figura 6). Además

se añadieron 1,260 puntos delimitando la línea de costa y añadiendo información de elevación en

la porción terrestre. La información en la porción terrestre se manejo como “cero” para los pun-

tos de línea de costa y “uno” para los puntos representando elevación en tierra (Figura 7). Esta

información de elevación es completamente artificial, únicamente se incluye en el análisis para

evitar tendencias erróneas de profundidad en la zona terrestre, producida automáticamente por el

kriging.PIESACOM • UMDI-Sisal, Facultad de Ciencias, UNAM

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La totalidad de los 4,310 puntos se incluyeron en un archivo de texto, con columnas separadas por

tabuladores, con la información de las coordenadas (Easting y Northing, WGS-84, UTM Z16Q ) y

la profundidad expresada en metros negativos.

Figura 6. Representación visual de los barridos con ecosonda para el relevamiento batimétrico

del arrecife de Akumal (en rosa). En azul se delimita el área de estudio.


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Figura 7. Area de estudio en la zona de Akumal, Quintana Roo México. El área delimitada en

rojo (580 ha.) corresponde a la zona de desarrollo arrecifal. Las líneas verdes corresponden

a la propuesta del relevamiento batimétrico previa a campo.


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Modelo Digital Batimétrico

Se realizó un filtro preliminar de registros en la base de datos y se eliminaron 67 , quedando 4,243

registros válidos en la base de datos. Se corrió una rutina de kriging de tipo puntual con un vario-

grama lineal. El resultado fué una rejilla de 1,296 líneas por 1,133 columnas, para generar una su-

perficie en 3-D representando la morfología del arrecife Akumal y su batimetría a una resolución

de 4 m x píxel (Figura 8).

Figura 8. Modelo Batimétrico Digital del Arrecife de Akumal, Quintana Roo.


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Bibliografía๏DONE, T., 1983, Coral zonation: its nature and significance. In Perspectives in Coral Reefs,

D.J. Barnes (Ed). pp.107-147 (Hong Kong: AIMS).

๏ECOCHARD, J.L.B., HEYMAN, W.D., REQUENA, N. AND CUEVAS, E., 2003, Adptive

Bathymetric System (ABS). Available online at:

http://conserveonline.org/docs/2004/08/Adaptive_Bathymetric_System_Final.pdf (accesado

17 Feb. 2009).

๏GARZA-PÉREZ, J.R., LEHMANN, A. and ARIAS-GONZÁLEZ, J.E., 2004, Spatial Prediction

of Coral Reef Habitats: Integrating Ecology with Spatial Modeling and Remote Sensing. Marine

Ecology Progress Series, 269, pp. 141-152.

๏GLYNN, P.W., 1973, Aspects of the ecology of coral reefs in he Western Atlantic Region. In

Biology and Geology of Coral Reefs II, Jones and Endean (Eds.), pp. 273-324 pag. (Chicago:

Academic Press)

๏GOREAU, T.F., 1959, The ecology of Jamaican coral reefs. 1. Species composition and zona-

tion, Ecology, 40, pp. 67–89.

๏HOGREFE, K.R., WRIGHT, D.J. and HOCHNBERG, E.J., 2008, Derivation and integration

of shallow-water bathymetry: Implications for coastal terrain modelling and subsequent analyses,

Marine Geodesy, 31, pp.299-317


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http://conserveonline.org/docs/2004/08/Adaptive_Bathymetric_System_Final.pdf

http://conserveonline.org/docs/2004/08/Adaptive_Bathymetric_System_Final.pdf

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