UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. INTERPOLACIÓN ESPACIAL Y CÁLCULO DE DERIVADAS ESPACIALES UTILIZANDO EL PROGRAMA SURFER. I – INTRODUCCIÓN Este trabajo práctico tiene por objeto dar una mirada a las funciones de interpolación espacial y cálculo de derivadas espaciales disponibles en el programa Surfer, así como fijar conceptos fundamentales del análisis espacial: variogramas, métodos de interpolación, autocorrelación espacial, derivadas espaciales, etc. Surfer es un programa de cartografía digital, interpolación, modelado de terreno y análisis espacial que, pese a su bajo costo, ofrece herramientas analíticas bastante fuertes. Muchas de estas herramientas fueron desarrolladas largo tiempo antes de ser incorporadas en los programas de SIG que están de moda en nuestros días. Su historia remonta hasta el año 1993. Una de sus mayores debilidades es el limitado manejo de los archivos vectoriales y bases de datos asociadas. En el área de la interpolación espacial, el cálculo de derivadas espaciales y la cartografía 21/2D, Surfer compite con programas de un costo mucho mayor. Es un programa muy “amigable”, razón por la cual muchos de sus usuarios son autodidactas. Durante la realización del primer trabajo práctico (TP1) vimos que Surfer podía ser utilizado de forma muy interesante para calcular y graficar funciones determinísticas de tipo: Z = f (x,y)1 cuya función general es: Z = f(x,y) = a + bX + cY donde: Z, X, Y, son las tres coordenadas de un espacio físico o abstracto, a,b,c son las constantes de la tranformación y “f” es una función determinística que describe de forma exacta la dependencia de la variable “Z”, con respecto a las otras dos. En la práctica, generalmente la función “f” que permite relacionar a “Z” con “X” y “Y” es desconocida y debe ser determinada (fijada) a partir de una serie de observaciones simultáneas de Z, X y Y. Cuando se trata de fijar la citada función “f” por lo general se nota que la dependencia de “Z” con respecto a “X” y “Y” es parcial, de modo que “X” y “Y” se convierten en 1 Z = f (x,y) ó X = f (z,y), ó Y = f (x,z) UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. estimadores aproximados de “Z”. Para describir esta situación, podríamos utilizar una expresión como: Z = f(x,y) = a + bX + cY + ξ , donde, ξ corresponde error residual o ruido que resulta de estimar “Z” como función de “X” y “Y”. Existen varias estrategias para tratar de disminuir el factor de incertidumbre o error residual, ξ. Veremos algunas de ellas: La primera estrategia consiste en tratar de disminuir el grado de incertidumbre en la estimación de “Z” aislando otras variables, R, S, T, etc., las cuales determinan en parte el comportamiento de “Z”. La ecuación general quedaría así: Z = f(x,y,r,s,t) = a + bX + cY + dR + eS + fT + ξ La segunda estrategia consiste en aumentar el grado del polinomio, pasando a una función de grado más alto; cuadrática, cúbica, etc. Por ejemplo, la expresión de una función cuadrática sería: Z = f(x,y) = a + bX + cY + dX2 + eXY + fY2 + ξ Cuando se intenta utilizar estos modelos matemáticos para describir las distribuciones de propiedades físicas sobre el espacio geográfico definido por sus coordenadas de latitud y longitud, se hace evidente que muchas propiedades físicas están organizadas en el espacio y muestran una cierta dependencia de las coordenadas geográficas; pero no menos notable es que a menudo el factor de incertidumbre, ξ, es suficientemente grande como para hacer poco relevante la simple explicación de “Z” como función de las coordenadas (Longitud, Latitud). Esta circunstancia hace que los geógrafos adoptemos un enfoque radicalmente distinto al de los estadísticos y matemáticos en la búsqueda de hacer disminuir el factor de incertidumbre, ξ. Puesto que a los geógrafos nos interesa, en primera instancia2, la organización espacial de los fenómenos, nosotros preferimos concentrar nuestro esfuerzo en estimar “Z” como función únicamente de “X” y “Y” (Longitud, Latitud) e intentamos hacer disminuir el error residual, ξ, mediante un ajuste numérico de carácter local, basado en la existencia de autocorrelación espacial. La idea de base es que la distribución espacial de los fenómenos físicos, económicos, sociales, etc., es demasiado compleja como para poder ser modelada acertadamente con 2 Note que subrayo en primera instancia, pues es claro que una vez estudiada la estructura espacial de un fenómeno, el siguiente paso lógico para un geógrafo es determinar las causas determinantes de dicha organización. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. una función determinística de aplicación global. Aún si utilizamos una función de grado elevado, las distribuciones reales son demasiado complejas para poder ser descritas por tales modelos matemáticos. La idea es, entonces, no tratar de fijar la distribución espacial de tales fenómenos mediante un modelo matemático determinístico y global, llamado una “superficie de tendencia”, sino mediante una solución numérica de carácter local, basada en la interpolación espacial, la cual genera un modelo distribuido, continuo pero discreto, que en general se conoce como un Modelo Numérico de Terreno (MNT). Tales modelos distribuidos pueden utilizar algoritmos de cálculo de tipo determinístico o estocástico, o una combinación de ambos, pero debe destacarse que su aplicación es local, más que global. Es decir, con tales modelos, la función Z = f(Longitud, Latitud), es fijada con referencia a los valores observados en el entorno local, y no con referencia a la totalidad de las observaciones, como ocurre con las funciones globales. Surfer provee los algoritmos para solucionar una serie de funciones determinísticas locales que permiten describir y cartografiar relaciones de tipo Z = f(x,y). Entre esas funciones podemos citar, inverso de la distancia, splines, TIN, etc. Surfer da la posibilidasd de utilizar funciones híbridas, en esencia probabilísticas, pero que incluyen una componente determinística; tales funciones adoptan la forma general: Z(h)* = m(h) + ξ(h) + ξ . Donde : Z(h)* = valor estimado de la variable independiente, m(h) = componente definida por un modelo matemático determinístico, espacialmente dependiente de la variación regional, ξ(h) = componente definida por un modelo probabilístico, espacialmente dependiente de la variación local, ξ = componente indefinida que resulta de errores experimentales (diseño muestral, imprecisión de los instrumertos); independiente del efecto de la localización de los puntos de observación en la escala local o regional. (h) = vector distancia. El método de interpolación espacial conocido como Kriging, hace uso del modelo probabilístico. Este método ha sido muy bien implementado en Surfer. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. II - ÁREA DE ESTUDIO. En el trabajo práctico #2 (TP2) hemos venido trabajando con datos topográficos localizados en los alrededores de San Juan de Dios de Desamparados (puntos amarillos de la figura 1); para la interpolación con Kriging, utilizando el programa Excel, se utilizaron esos mismos datos. Sin embargo, con el propósito experimentar el proceso de fijar un modelo de variograma al correspondiente diagrama de dispersión, se creyó conveniente – con propósitos didácticos – extender el área de estudio a un entorno ligeramente más grande, al tiempo que se densificó la red de puntos muestrales (isolíneas en rojo). Finalmente, para la interpolación utilizando el programa Surfer, la cual se hará en el TP3, se utiliza toda la región definida por las curvas de nivel en color negro. ALAJUELITA Chiverral Chiverral Torrotillo Torrotillo Alto Alto Palo Palo Campano Campano San San Josecito Josecito Concepción Concepción Llano Llano ARCÁNGELES ARCÁNGELES San San Antonio Antonio Cerro Cerro San San Miguel Miguel San San Juan Juan de de Dios Dios Lámparas Lámparas Poás Poás POZO POZO AZUL AZUL Piedra Piedra de de Aserrí Aserrí Cerros Cerros de de Cedral Cedral ASERRÍ Figura 1. Áreas de estudio en San Juan de Dios, Desamparados. Si usted vive o ha visitado el Valle Central de Costa Rica, podrá obtener una idea clara de la ubicación del área de estudio, sabiendo que el Cerro San Miguel, que aparece en la mitad oeste del mapa, es el conocido “Cerro de la Cruz de Alajuelita”, caracterizado por la Cruz iluminada que se visualiza desde casi toda localidad situada en el Valle Central. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. III – REPASO DE FUNCIONES MATEMÁTICAS GLOBALES. 3.1 Mapa de la función lineal Z = 2X + 4Y Paso 1. Abra el programa Surfer. Paso 2. Cree el mapa de la función (Grid – functions) según los parámetros de la figura 2. El nombre del archivo de salida será función1.grd, pero la ruta donde se almacenará el archivo debe definirla usted mismo. Todos los archivos deberán ir a una misma carpeta. Figura 3. Figura 2. Para crear un archivo grd Surfer toma como refencia el valor mínimo y máximo en x,y, así como el incremento y con esa información crea una matriz (grid file) con el número exacto de filas y columnas que caben dentro del territorio especificado y a la equidistancia definida. Gráficamente esto puede ser imaginado como una malla de líneas verticales y horizontales, en la intersección de las cuales se crea un nodo (figura 3). En los citados puntos de intersección o nodos, se anotará el valor que resulta al procesar la función definida para la localización específica de cada nodo. Una vez que un archivo grd ha sido creado, hay una gran variedad de posibilidades para hacer el mapa de la función calculada. En el transcurso de este ejercicio iremos experimentando con diferentes modos de representación. Paso 3. Haga el mapa de la función 1 utilizando un despliegue en forma de Figura 4. “diagrama de bloque” (Map – Wireframe). El resultado se ilustra en la figura 4. Este tipo de ilustración es muy útil pues permite ver si la función define una superficie plana o corrugada. En el caso de la función 1 la superficie definida por la función “Z” es un plano inclinado sobre x,y. Como recordará, los coeficientes 2 y 4 que acompañan a las variables x,y en la función Z = 2X + 4Y corresponden a la pendiente de la función sobre los ejes x,y respectivamente. La figura 4 muestra claramente que la pendiente sobre el eje y es mucho mayor que la pendiente sobre el eje x. Guarde (File – Save as) el mapa como función1.srf. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. 3.2 Mapa de una función no lineal: Z = 2X2 + 4Y2. Paso 1. Seleccione y borre cuanta figura tenga en el plot window. Paso 2. Cree el mapa de la función (Grid – functions) según los parámetros de la figura 2. El nombre del archivo de salida será función2.grd, pero la ruta donde se almacenará el archivo debe definirla usted mismo. Todos los archivos deberán ir a una misma carpeta. Figura 5. Paso 3. Haga el mapa de la función 2, utilizando un despliegue en forma de “diagrama de bloque” (Map Wireframe) y también en forma de isolíneas (Map – Contour map – new contour map). Organice las imágenes (Wireframe y contour map) de la forma que se ilustra en la figura 6. Para ello debe indicar que ambas imágenes tienen los parámetros de rotación como se ilustran en la figura 7. Figura 6. Para mostrar la ventana de definición de la orientación de las figuras haga “doble click” sobre la figura de interés y luego seleccione la cejilla “View”. Para hacer que las dos figuras se superpongan de forma exacta, primero sepárelas, llevando una hacia arriba y otra hacia abajo dentro del Plot window; luego seleccione ambas figuras (Edit Select All) y seguidamente alínielas (Map Stack maps). Para dibujar las líneas verticales utilice la herramienta poliline . Para cambiar los atributos de la polilínea utilice el botón y “doble click” sobre el objeto. Guarde (Guarde (File – Save as) el mapa como función2.srf. Figura 7. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. Note que a diferencia de la función 1, la función 2 muestra claramente una superficie curvada, como corresponde a una función de segundo grado o cuadrática. Como antes, se nota que la pendiente sobre ambos ejes no es idéntica, creciendo mucho más rápido sobre el eje y, que corresponde a la cara izquierda del diagrama de bloque. De forma análoga se podrían mapear funciones Z = f(x,y) de orden más alto, como por ejemplo: Z = 3x5 + 2y5 – 2x4 – y4 + x3 + 3y3 + 4x2 – 2y Note también que las funciones definidas son del tipo Z = f(x,y), no pudiéndose desarrollar funciones de tipo Z = f(x,y,r,s,t), pues se asume que se está trabajando en un espacio físico concreto, el cual es definido por coordenadas de longitud (x) y latitud (y). IV – INTERPOLACIÓN ESPACIAL. 4.1 Interpolación espacial utilizando algoritmos determinísticos. 4.1.1 Interpolación espacial mediante Inverso de la distancia. Paso 1. Seleccione y borre cuanta figura tenga en el plot window de Surfer. Paso 2. Use la función interpolar (Grid – Data) para crear el (MDT) de San Juan de Dios de Desamparados. Escoja SJ3B.CSV, como el archivo de base (figura 8). Configure la ventana de Figura 8. diálogo Grid-Data tal como se indica en la figura 9. Abra luego la cejilla de Opciones Avanzadas donde hallará tres nuevas casillas, como se ilustra en la figura 10. En la casilla General configure como en la figura 10. En la casilla Search configure como en la figura 11. En la casilla Break lines and faults configure como se ilustra en la figura 12. Figura 9. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. Un archivo de break lines hipotéticamente permite mejorar la calidad del MDT resultante, pero es necesario que dichas líneas de ruptura sean de igual o superior calidad que los demás datos topográficos. No tenemos datos de mejor calidad que puedan ser utilizados para este fin. En el Help de Surfer puede leer acerca de la estructura de los archivos BLN que son los que permiten definir break lines y faults. Como parte de la documentación del ejercicio se agregan dos archivos BLN llamados break_lines.bln y falla.bln. Puede abrir estos archivos con el Worksheet de Surfer o con cualquier editor de texto si desea conocer su estructura. Sin embargo no se aconseja utilizarlos pues darían como resultado imágenes más ruidosas e inexactas que las que se obtendrían al no utilizar break-lines y faults.. Note que el tamaño de celda de la imagen de salida será de 20 metros y que la imagen contendrá 185 columnas x 209 filas. Después de haber configurado los cuadros de diágolo (figuras 10 a 12) acepte los ajustes (OK) y ejecute el algoritmo del Inverso de la Distancia. Figura 10. El programa creará el archivo de imagen InvDist.grd, que contedrá la matriz interpolada de valores “Z” como función de X,Y. Surfer generará un reporte (Griding Report) que da mucha información estadística útil. Por ejemplo, el coeficiente de correlación entre las variables Z, X y Y; así como los coeficientes para una regresión lineal de Z sobre (X,Y), y estadísticas de “vecino más cercano”. Todas estas Figura 11. estadísticas son valiosas para mejorar el análisis espacial. Paso 3. Active la ventana que contiene el reporte y guárdelo (File save as) con el nombre Inv_dist_report.rtf. Figura 12. Paso 4. Haga el mapa de la imagen del MDT combinando un modelo de relieve sombreado UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. (Map Shaded Relief) y un mapa de contornos (Map Contour Map – New Contour Map) en una misma ventana. Figura 13. El mapa de contornos debe tener curvas con equidistancia vertical de 20 metros; para ello, haga “doble click” sobre el mapa de contornos original y escoja la opción Lavels dentro la ventana Map: contours properties; luego pique la opción Level lo cual abre la subventana Contour Levels, donde debe especificar Interval = 20 y luego picar OK (figura 14). Paso 5. Guarde (File save) el mapa de relieve sombreado con el nombre Inv_dist.srf Paso 6. Use el Help de Surfer para informarse sobre la naturaleza de un mapa de relieve sombreado (shaded relief) y la forma en que Surfer crea Figura 13. dicha imagen. En la hoja de documentación del ejercicio práctico deberá explicar brevemente el concepto y la técnica relativa a este tipo de mapas. 4.1.2 Interpolación espacial mediante redes de triángulos irregulares (TIN). Figura 14. a) El método de interpolación será Triangulation with linear interpolation, b) en opciones avanzadas debe configurar como se indica en la figura 15, c) el archivo interpolado se llamará tin.grd, d) el gridding report se llamará report_tin.rtf, e) el mapa se guardará Paso 1. Repita los pasos 1 a 5 del ejercicio realizado en el punto 4.1.1, pero utilizando en este caso el método de interpolación por redes de triángulos irregulares (RTI o TIN). Tenga en cuenta los siguientes ajustes. Figura 15. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. como tin.srf, f) todo lo demás se configura como en 4.1.1 siempre que las opciones correspondientes estén disponibles. Note, por ejemplo, que en este caso no es necesario definir un radio de interpolación. Explique por qué no es necesario hacer esto y presente su respuesta en la hoja de documentación del ejercicio Paso 2. Haga una comparación visual entre los mapas generados por Inverso de la Distancia y TIN, poniendo especial énfasis en la continuidad de los dos MDT generados. Anote sus observaciones en la hoja de documentación del ejercicio. Figura 16. 4.1.3 Interpolación espacial mediante otros métodos determinísticos. Aparte de los métodos Inverse Distance to a Power (Inverso de la distancia) y Triangulation with Linear Interpolation (TIN), Surfer, ofrece otros métodos de interpolación de tipo determinísticos (figura 17). Estos métodos están bien descritos en el manual y en el Help del programa Surfer. Estos métodos se dividen en dos clases: a) interpoladores exactos, b) interpoladores generalizadores. Paso 1. Utilice el Help de Surfer para investigar brevemente Figura 17. sobre el concepto de interpolador exacto en contraposición al concepto de interpolador generalizador (smoothing method). Mencione tres interpoladores exactos y tres interpoladores generalizadores. Para hallar esta discusión especifique Help – contents – gridding methods – exact and smoothing interpolators. Anote su discusión en la hoja de documentación del ejercicio. Paso 2. Utilice el Help de Surfer para investigar brevemente sobre un método de interpolación exacto y un método de interpolación generalizador que no hayan sido vistos UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. en clase. Por lo general Surfer solo trae un breve párrafo explicando en que consiste el método. Anote su discusión en la hoja de documentación del ejercicio. 4.2 Interpolación espacial utilizando algoritmos estocásticos. Kriging es por excelencia el método de interpolación espacial basado en una predicción estocástica de los valores “Z” asociados con una propiedad distribuida en el espacio. Los fundamentos de la teoría del Kriging fueron explicados en clase y se explican complementariamente en el documento “Interpolación Espacial”. Hay cientos de artículos que han sido publicados sobre este método de interpolación, su aplicación y sus fundamentos. Surfer ofrece dos posibilidades para ejecutar la interpolación espacial mediante el método Kriging. En el primer caso, Surfer fija utomáticamente un variograma lineal a los datos de entrada y el analista sólo tiene que configurar las ventanas, tal como se hace con los demás métodos de interpolación. En el segundo caso, el analista (usted) debe determinar el modelo de variograma que mejor fija sus datos experimentales y luego importar dicho modelo para ser utilizado como referencia durante el proceso de interpolación. Es posible que el primer procedimiento sea más simple y hasta de mejores resultados para el analista con poca formación académica y experiencia. Sin embargo, para aquellos que ya tuvieron un mínimo de formación y entrenamiento sobre la fijación de variogramas y uso del interpolador Kriging, es preferible que utilicen la opción de fijar por sí mismos el modelo de variograma más adaptado a los datos. Por esta razón haremos varios ejemplos de interpolación con Kriging. Antes de proceder, sin embargo, veremos como fijar un variograma con Surfer. La experiencia de haber ensayado la fijación de un modelo matemático al variograma experimental utilizando Variowin nos será de gran ayuda para hacer lo propio pero utilizando el programa Surfer. En este caso, el procedimiento es más abreviado, razón por la cual procedemos a explicarlo y solicitamos que usted complete este mismo ejercicio. 4.2.1 Fijar un modelo matemático al variograma experimental con Surfer. Los conceptos de base para fijar un modelo de variograma con Surfer se explican en Help – contents – variogram grid. Se traduce lo indicado en dicha página. Los usuarios familiarizados con GeoEAS o VarioWin deben estar familiarizados con los archivos de comparación de pares (de puntos) de tipo [.PCF]. Surfer usa una cuadrícula de variograma como una representación interna fundamental de los datos, en vez crear un archivo de comparación de pares [.PCF]. La razón para ello es que el archivo de comparación de pares de puntos puede ser extremadamente grande aún para conjuntos de datos de tamaño moderado. Por ejemplo, 5000 observaciones dan lugar a N(N-1)/2 pares de datos, es decir, más de 12 millones de pares. Cada par requiere de 16 bytes de UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. información, de modo que el tamaño del archivo PCF alcanzará cerca de 191 megabytes de memoria con el único propósito de manejar la información relativa a la comparación de los pares de puntos (i.e., un archivo de distancias y diferencias en “Z”). El tiempo que consume la lectura y la búsqueda a través de un archivo tan grande hace el enfoque PCF impráctico para la mayoría de los usuarios de Surfer. Se gana en velocidad de cálculo y capacidad de almacenamiento al utilizar el enfoque de cuadrícula de variograma (variogram grid). Una vez que la cuadrícula del variograma es construida, cualquier variograma experimental puede ser computado instantáneamente y de forma independiente del número de observaciones. Sin embargo, este enfoque no ofrece la posibilidad de realizar la edición de los variogramas “al vuelo” (sobre la marcha) sobre la base de un tratamiento por parejas de puntos. A diferencia de las cuadrículas (grids) usadas de forma generalizada en Surfer, las cuales son cuadrículas rectangulares, las cuadrículas de variograma son polares 3. Las cuadrículas polares no pueden ser vistas en Surfer, y solo son usadas dentro del contexto del cálculo del variograma. La primera coordenada en una cuadrícula de variograma hace referencia al ángulo polar, y la segunda se refiere a la distancia radial hacia el exterior, partiendo del origen del sistema polar. Considere la siguiente cuadrícula de variograma: Hay ocho divisiones angulares: {0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315} y cuatro divisiones radiales: {100, 200, 300, 400}. Así, hay 32 celdas individuales en esta cuadrícula de variograma. Los usuarios familiarizados con VarioWin (como ustedes) notarán semejanzas entre la cuadrícula del variograma de Surfer y la “Superficie de variograma” de VarioWin® 2.2. En Surfer, solo la mitad superior de la cuadrícula es utilizada. Considere las siguientes tres localizaciones de observación: {(50,50), (100, 200), and (500,100)}. Hay tres observaciones, así, hay 3*(3-1)/2 = 3 pares. Los pares son: Figura 18. 3 Es decir, utilizan coordenadas polares. A diferencia del sistema rectangular cartesiano, basado en distancias sobre los ejes ortogonales x,y, las coordenadas polares definen un sistema circular donde la localización viene dada por rumbos y distancias radiales con respecto la posición 0,0. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. A (50,50), (100,200) B (50,50), (500,100) C (100,200), (500,100) Cada para es colocado en una celda particular de la cuadrícula del variograma con base en la distancia y ángulo de separación entre las dos localizaciones de observación. La distancia de separación es: El ángulo de separación es: Usando las ecuaciones de arriba, el ángulo de separación para el primer par de observaciones {(50,50), (100,200)} es 71.57 grados y la distancia de separación es 158.11 unidades. Este par es colocado en la celda delimitada por el círculo de 100 en el lado interno, el círculo de 200 en el lado externo, la línea de los 45° en la dirección de las manecillas del reloj, y la línea de 90° en la dirección contraria a las manecillas del reloj. La localización de este par en la cuadrícula del variograma se muestra en la figura 18 como punto A. Pair A B C Separation Angle 71.57 6.34 -14.04 Separation Distance 158.11 452.77 412.31 The separation angle and separation distance for each pair Puesto que la distancia de separación de los pares B y C son mayores que el radio del círculo más largo (400), estos pares caen fuera de la cuadrícula del variograma. Los pares B y C no son incluidos en la cuadrícula del variograma y por tanto, no son incluidos en el variograma. Usando las ecuaciones de arriba, cada par es colocado en una de las celdas de la cuadrícula del variograma o es descartado si la distancia de separación es demasiado grande. Para un gran conjunto de datos puede haber millones de pares (o más) y el archivo de pares de comparación asociado sería muy grande. Por otro lado, con la cuadrícula de variograma de la figura 18 habría solo 32 celdas de cuadrícula sin importar el número de pares contenido en una celda de cuadrícula particular. Aquí yace la ganancia computacional del enfoque de cuadrícula de variograma. No es necesario que cada par UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. sea almacenado en una celda de la cuadrícula del variograma; cada celda de la cuadrícula del variograma almacena solo un pequeño conjunto de estadísticas resumidas las cuales representan a todos los pares contenidos dentro de esa celda. Al definir una nueva cuadrícula de variograma (Grid – variogram –new variogram) y especificar un archivo de datos a ser usado, Surfer presenta una ventana con dos cejillas. (Figura 19). La primera de ellas, llamada Data presenta una serie de estadísticas sobre los datos, mientras que la segunda, General, permite definir los parámetros de la cuadrícula del variograma y da la posibilidad de remover o no la tendencia de los datos utilizando una función lineal o cuadrática. Los parámetros que definen las características de la cuadrícula del variograma son: Max Lag Distance, Angular Divisions y Radial Divisions. Figura 19. Max Lag Distance especifica la máxima distancia de separación contenida en la cuadrícula del variograma. Cualesquiera pares de puntos más alejados que lo indicado para el maximum lag distance no son incluidos el la cuadrícula del variograma. El valor por defecto para la Máxima Distancia de Lag es de un tercio de la extensión de la distancia diagonal de lo datos redondeada hacia abajo hasta la segunda cifra significativa (por ejemplo, 1.2345 se redondea a 1.2). Angular Divisions especifica el número de divisiones angulares: es decir, el número de espacios entre “rayos” en la cuadrícula del variograma. El rayo de 0° está localizado en el eje X positivo y no en el eje Y positivo ó azimuth, como suele ser en otras aplicaciones. Las divisiones angulares solo van de 0° hasta 180°, y no sobre todo el circuito alrededor de los 360°. Si un vector fuera dibujado desde el primer punto en el par hasta el segundo punto en el par, el símbolo de la flecha debería apuntar hacia una dirección en la cuadrícula polar. En Surfer, el primer punto es el punto con el valor [Y] más pequeño y el segundo punto es el punto con el valor [Y] más grande. Como tal, la parte inferior de la cuadrícula del variograma está vacía y es innecesaria. El variograma experimental para cualquier dirección entre 180° y 360° puede ser calculado a partir de la parte superior de la cuadrícula usando la simetría inherente del variograma. El valor por defecto de 180 para el número de divisiones hace que cada celda de la cuadrícula del variograma subtienda 1 grado de arco. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. Las Divisiones Radiales especifican el número de círculos concéntricos en la cuadrícula del variograma. El valor por defecto es 100. Tenga en mente que incrementar el número de Divisiones Angulares y Divisones Radiales incrementa la cantidad de memoria requerida para almacenar la cuadrícula. En la parte superior derecha (figura 19) se muestra un diagrama de la cuadrícula del variograma especificado. 4.2.2 Interpolación espacial utilizando Kriging y un modelo de variograma fijado por el usuario. Paso 1. Seleccione y borre cuanta figura tenga en el plot window de Surfer. Paso 2. Definir un nuevo variograma (Grid – Variogram – New Variogram), especificando el archivo SJ3B.csv como el archivo de datos a utilizar. Aparece una ventana llamada New Variogram (figura 19). Revisar la cejilla Data y verificar que la columna X corresponde a la coordenada Este, la columna Y corresponde a la coordenada Norte y la columna Z corresponde a la Altitud. Column C: ALTITUD Direction: 0.0 Tolerance: 90.0 25000 20000 Variogram Revisar la cejilla General. Aceptaremos 15000 los parámetros de la cuadrícula de variograma que se definen por 10000 defecto e indicaremos no eliminar tendencia en los datos. OK para aceptar. 5000 Tenga paciencia, generar la estructura de la cuadrícula del variograma 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 significa medir cada par Lag Distance de puntos, clasificarlo y Figura 20. anotar las estadísticas resumen en la celda correspondiente. Esto toma su tiempo pues se trata de decenas de millones de cálculos!. Paso 3. Aparece el variograma experimental (raya y nodos negros), y el modelo matemático lineal (color azul) que mejor ajusta (fija) el variograma experimental. Figura UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. 20. El usuario que no conozca la teoría de construcción de variogramas y vaya directamente a los algoritmos de interpolación de Surfer usará, sin saberlo, este modelo de variograma como parte del procedimiento de interpolación espacial. De acuerdo a nuestra experiencia con VarioWin, este no es un gran resultado y justifica hacer un esfuerzo por mejorar el ajuste. Paso 4. Doble “click” sobre el gráfico del variograma para acceder a la ventana Variogram Figura 21. Properties donde podrán hacerse los ajustes pertinentes. Figura 21. Esta ventana cuenta con cuatro cejillas: Experimental, Model, Statistics y Plot. Revise detenidamente las cejillas para comprender como controla Surfer los parámetros del variograma. Haga una analogía con lo visto en VarioWin. Si fuera necesario consulte el Help de Surfer. Paso 5. Abrir la cejilla Model. Marcar y eliminar (Remove) el componente de variograma definido como Linear. Luego picar sobre la cejilla Add y definir un modelo de variograma de tipo potencia (Power). Ejecutar luego la opción autofit, definiendo un máximo de 500 iteraciones. Por favor tener paciencia, según la velocidad del procesador de su máquina, esto podría tardar entre algunos segundos y varios minutos. Abajo aparecerá el indicador del porcentaje de avance. Si utiliza las opciones por defecto para la cejilla Experimental y la configuración mostrada en la figura 22 para la cejilla Column C: ALTITUD Direction: 0.0 Tolerance: 90.0 25000 Variogram 20000 15000 Figura 22. 10000 5000 0 0 200 400 600 800 1000 Lag Distance Figura 23. 1200 1400 1600 1800 Model, obtendrá un variograma omnidireccional bien ajustado para interpolaciones que utilicen un vecindario de hasta 600 metros de radio (figura 23). UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. Paso 6. Proceda ahora a realizar su primer ejercicio de interpolación con Kriging. Interpole (Grid – data) un MDT utilizando el archivo de puntos de altitud SJ3B.grd. En la ventana del Grid Data especifique Kriging como el Gridding method defina la ruta y nombre del archivo de salida. El nombre para el archivo de salida será Krig1.grd. En Advanced options, cejilla General, pique sobre la cejilla Get variogram para leer la información sobre el modelo de variograma y los parámetros a utilizar. Figura 24. Especifique también un Figura 24. nombre de archivo para el Output Grid of Kriging Standard Deviation. El nombre sugerido es Krig1_sd.grd. Esto permitirá crear una imagen de la desviación estándar de los errores de estimación, lo cual se puede obtener gracias a que Kriging calcula iterativamente (por programación dinámica) una gran cantidad de soluciones posibles para cada nodo del MDT. Posteriormente, pique sobre la cejilla Search y defina una elipse de búsqueda (Search ellipse) de 600 metros sobre ambos radios de la elipse. Al definir un radio de búsqueda de 600 metros nos aseguramos de no utilizar pares de puntos separados por distancias que exceden la zona de excelente ajuste entre el variograma experimental y el modelo matemático del mismo. Paso 7. Haga el mapa de la imagen del MDT combinando un modelo de relieve sombreado (Map Shaded Relief) y un mapa de contornos (Map Contour Map – New Contour Figura 25. Map) en una misma ventana. Recuerde que para combinar ambos mapas, después de creados deben ser seleccionados y luego ejecutar Map – Overlay maps. Atención: si no desea que este mapa quede sobrepuesto a la imagen del variograma, simplemente aparte el variograma corriéndolo hacia afuera de la página de impresión, antes de generar los mapas. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. Paso 8. Conservando el mapa y el modelo de variograma en un mismo Plot Document, guarde (File – Save as) la definición del variograma y del mapa (Shaded relief combinado con contours) como Kriging.srf. Paso 9. Pique sobre el mapa y arrástrelo fuera de la página de impresión. Paso 10. Repita los pasos 2 al 8 haciendo los ajustes que se indican a continuación: a) el nombre del MDT que se generará será Krig2.grd, b) El Max Lag Distance será 3600 metros y número de Angular divisions será 360, c) los parámetros del variograma se Column C: ALTITUD Direction: 0.0 Tolerance: 90.0 90000 80000 70000 Variogram 60000 50000 40000 30000 20000 10000 Figura 25. 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Lag Distance especifican en la figura 25, d) el modelo de variograma Figura 26. ajustado se ilustra en la figura 26, e) la Search ellipse será de 2,000 metros, f) al importar un modelo de variograma Get variogram el programa indicará que hay varios modelos en el Plot Document, para seleccionar el correcto, verifique sus parámetros, g) el nombre para el archivo de las desviaciones estándar de la estimación será Krig2_sd_grd, h) al guardar el Plot Document (File – Save as) utilice el mismo nombre indicado arriba, es decir, Kriging.srf. El programa le indicará que el archivo existe y si desea sobreescribirlo; responda que sí. De esta forma en un sólo archivo y un sólo Plot tendremos la definción de todos los variogramas y mapas generados. Nota: tenga presente que puede cambiar ciertos aspectos gráficos de la representación del variograma utilizando la cejilla Plot de la ventana Variogram Properties. V – CÁLCULO DE DERIVADAS ESPACIALES CON SURFER. Antes de proceder a realizar los ejercicios de cálculo de derivadas espaciales se sugiere que usted lea el documento “Derivadas Espaciales” que le fue sugerido como lectura de apoyo del curso Análisis Espacial y/o del curso Cartografía Digital. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. 5.1 Conceptos de base e implementación del cálculo de derivadas en Surfer Una derivada espacial es la solución numérica a un algoritmo que actuando dentro de una ventana móvil que se desplaza sobre la matriz espacial existente (un archivo Grid de Surfer, por ejemplo), permite calcular una imagen de salida que es el producto derivado de la primera. En sentido estricto, la imagen de salida, con la matriz espacial de soporte, se obtendría de la solución numérica de la función derivada con respecto a cualquiera de los ejes dx, dy, ó una combinación de ambos. En esencia, las funciones derivadas muestran tasas de cambio de una propiedad a lo largo del territorio que ella ocupa. Para el cálculo de derivadas espaciales, Surfer usa la opción Grid – Calculus, la cual suele generar imágenes sugestivas que permiten ver detalles que no eran obvios al hacer la inspección visual del MDT en forma de contornos o de diagrama de bloque. La caja de diálogo de Grid Calculus está dividida en cuatro secciones: Directional Derivatives, Terrain Modeling, Differential and Integral Operators, and Fourier and Spectral Analysis. El comando Grid – Calculus, crea un nuevo archivo GRID de los datos generados. Los archivos GRID derivados tienen las mismas dimensiones que el archivo GRID original, pero podrían usar diferentes rangos de datos según el tipo de salida. En el presente ejercicio únicamente exploraremos funciones disponibles en Grid – Calculus – (seleccionar archivo Grid) – Terrain Modeling. Cuando se requiere una derivada numérica Surfer utiliza una solución llamada diferencia central, la cual requiere conocer los valores originales a ambos lados de la localización para la cual la derivada es calculada. Esto lleva a dejar en blanco (sin dato) el borde de las imágenes derivadas, lo que generalmente se conoce como efecto de borde. Surfer utiliza las notaciones de cuadrícula según el método de la brújula, para indicar de forma genérica los nodos de cuadrícula vecinos que serán usados por los operadores de Grid Calculus, tal como lo muestra la figura 27. El valor Z para la imagen derivada, en el punto central (no relleno) es lo que se desea calcular. Para ello, podrían requerirse los valores numéricos de los nodos vecinos en la imagen de entrada. Utilizando esta notación de cuadrícula, es Figura 27. posible escribir soluciones aproximadas (numéricas) a las ecuaciones diferenciales para las derivadas de interés, en la posición central “Z”. Veamos: UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) La ecuación (1) es la primera derivada o grandiente de la variable “Z” sobre el eje “X”, lo cual permite generar un perfil del gradiente en dirección Este - Oeste. La ecuación (2) es la primera derivada o grandiente de la variable “Z” sobre el eje “Y”, lo cual permite generar un perfil del gradiente en dirección Norte – Sur. La ecuación (3) es la segunda derivada o curvatura de la variable “Z” sobre el eje “X”, lo cual permite generar un perfil de la curvatura de la función en dirección Este – Oeste. La ecuación (4) es la segunda derivada o curvatura de la variable “Z” sobre el eje “Y”, lo cual permite generar un perfil de la curvatura de la función en dirección Norte – Sur. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. La ecuación (5) es la primera derivada o pendiente de la variable “Z” sobre el plano definido por los ejes “X,Y”, lo cual permite generar un perfil del gradiente de la función en una dirección compuesta, determinada por las magnitudes del dX y dY. La ecuación (6) es la tercera derivada o Laplaciano de la variable “Z” sobre el eje “X”, lo cual permite generar un perfil de la convergencia/divergencia de la función en dirección Este – Oeste. La ecuación (7) es la tercera derivada o Laplaciano de la variable “Z” sobre el eje “Y”, lo cual permite generar un perfil de la convergencia/divergencia de la función en dirección Norte – Sur. La ecuación (8) es la segunda derivada o curvatura de la variable “Z” sobre el plano definido por los ejes “X,Y”, lo cual permite generar un perfil de la curvatura de la función en una dirección compuesta, determinada por las magnitudes del dX y dY. 5.2 Funciones disponibles en Grid – Calculus – Terrain Modeling. La particularidad que poseen las funciones de cálculo incluidas en el submenú de Modelado de Terreno (Terrain Modeling) es que el valor anotado indica el valor máximo de la derivada calculado a lo largo de la línea de pendiente máxima. El cálculo de dicha dirección está implícito en la solución dada. Cuando usted escoge las opciones Terrain Aspect, Profile Curvature, Plan Curvature, o Tangential Curvature, puede también especificar un valor Umbral. En área donde la pendiente máxima se aproxima a cero (la superficie es casi horizonal) la dirección del gradiente es difícil de determinar con precisión y podría preferirse clasificar dichas superficies como planas. Consecuentemente, las celdas correspondientes a tales superficies serían celdas en blanco cuando se aplica una función de análisis de terreno. 5.2.1 Pendiente del terreno. Grid – calculus – terrain slope, calcula la pendiente en cualquier nodo de la cuadrícula de la superficie. Dicha pendiente es reportada en grados desde 0 (horizontal) hasta 90 (vertical). Para un punto particular de la superficie, la pendiente del terreno es calculada a lo largo de la dirección de máximo descenso o ascenso local. La pendiente, S, en un punto P es la magnitud del gradiente en dicho punto. De acuerdo con la definición de gradiente dada arriba: (9) Usando la notación indicada en la figura 27, esto da: UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. (10) La pendiente del terreno es representada como un ángulo de pendiente, ST, en grados, acorde con la literatura sobre modelado de terreno (Moore et al., 1993): (11) 5.2.2 Orientación del terreno. Terrain Aspect, calcula la dirección ladera abajo, sobre el eje la pendiente máxima en cada nodo de la cuadrícula. Esta es la dirección que es perpendicular a las líneas de contorno de la superficie, y es exactamente opuesta a la dirección del gradiente. El valor de orientación es reportado en azimuth, con 0 grados para el Norte y 90 grados para el Este. Acorde con la literatura de modelado de terreno, Surfer representa la orientación del terreno, AT, como un azimuth (in degrees, not radians): (12) Según el sistema de notación para las direcciones (figura 27), la ecuación queda así: (13) 5.2.3 Curvatura en perfil. Profile Curvature, determina la tasa se cambio de la pendiente ladera abajo o arriba en la dirección del gradiente (opuesta a la dirección de orientación de la pendiente) en cada nodo de la cuadrícula. Los valores negativos indican convexidad hacia arriba ( ) e indican flujo acelerado del agua superficial. mientras los valores positivos indican concavidad hacia arriba e indican flujo desacelerado del agua superficial. La curvatura en perfil, KP istá dada por: UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. (14) donde 5.2.4 Curvatura en planta. Plan Curvature, refleja la tasa de cambio del ángulo de orientación del terreno (Terrain Aspect) medida en el plano horizontal, y es una medida de la curvatura de los contornos. Los valores negativos indican flujo de agua superficial divergente, mientras los valores positivos indican flujo de agua superficial convergente. La curvatura en planta KH viene dada por: (15) Donde: 5.2.5 Curvatura tangencial. Tangential Curvature, mide la curvatura en relación un plano vertical perpendicular a la dirección de gradiente, o tangencial a la línea do contorno. Las áreas negativas y positivas son las mismas que genera el análisis de curvatura en planta, pero los valores de UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. curvatura son diferentes. La Curvatura Tangencial está relacionada con la Curvatura en Planta KH por el seno de la pendiente : KH = KT / sin La Curvatura Tangencial KT está dada por la ecuación: (16) Donde 5.3 Ejercicios de cálculo de derivas espaciales. 5.3.1 Cálculo de pendiente. Paso 1. Ejecute Grid – Calculus y especifique Krig2.grd como el archivo que contiene la cuadrícula de entrada. Seleccione la opción Terrain Slope e indique el nombre del archivo de salida: slope.grd. Presione OK y la imagen de la pendiente será creada utilizando la ecuación (11). Paso 2. Muestre el mapa de la pendiente (Map – Image map – slope.grd); abra luego un mapa base (Map – Base map – sj3.mif). Una vez que los dos mapas han sido Figura 28. desplegados, seleccione todos los objetos (Edit – Select all) y combínelos (Map – Overlay maps). Si fuera necesario reordene la ventana del control de capas de información (a la izquierda) para que el “base map” quede sobre el “image map” (Figura 29). Para colorear su mapa de pendientes “doble click” sobre el botón “image map” ( ) en la ventana de control de layers (izquierda); se abre entonces la ventana Image map properties. Seleccione UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. interpolar píxeles y mostrar escala de color. Luego, “click” sobre paleta de color y use “Ctrl click” para agregar más cejillas de color (figura 30). Vaya picando sobre cada cejilla y seleccionando colores según una secuencia apropiada4. Cuando esté satisfecho con su escala de color oprima OK y luego Apply. Observe el mapa coloreado. Pique luego sobre la paleta “colors” ( ) y modifíquela – si lo Figura 29. cree necesario –, o guárdela (Save) cuando esté conforme a su gusto. Llame al archivo de definición de la paleta de color: Slope_color.clr. En su material de base se agregó también una paleta con cambio de saturación, pero sin cambio de matiz, que podría ser más apropiada para el mapeo de la pendiente, usted puede abrirla, con la opción Load disponible en la ventana titulada Color Spectrum. El archivo de definición del color [.CRL] puede fácilmente ser editado usando Notepad (Bloc de Figura 30. notas) (figura 31) de modo que usted pueda especificar los límites de cada color con toda exactitud. La primera línea lleva el nombre del archivo, el formato de la versión y el método de interpolación del color. A partir de la segunda línea hay cuatro columnas. La primera describe la posición (en la escala porcentual de 0 a 100), mientras que la segunda, tercera y cuarta describen el grado de saturación de Rojo, Figura 31. Verde y Azul, respectivamente. Estos valores deben ir de 0 a 4 Puesto que el valor de la pendiente inicia en cero y crece de forma progresiva y de intensidad creciente, la paleta de color debe mostrar dicha progresión. En el ejemplo, se ha supuesto que los colores verde – amarillo – rojo siguen una progresión, aunque su intensidad no necesariamente es creciente. Por eso se ha agregado también una paleta (archivo Slope_color_progres.crl) que cumple con ambas condiciones. UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. 255 y tienen que se enteros. Cualquier modificación permanente que usted haga sobre este archivo de texto se verá reflejada en el mapa cuando cargue y aplique esta paleta. Lógica y saludablemente, quizá sea mejor que al hacer cambios en la paleta, usted guarde el archivo [.CRL] con un nombre nuevo. Es posible poner límites rígidos a los colores, en vez de utilizar cambios graduales como se crean por defecto. Esto suele hacerse cuando se desea hacer un mapa temático más convencional. Para asociar el valor porcentual de la columna 1, con el valor real de pendiente, basta con consultar la información del archivo Slope.grd y determinar cuál es el valor Zmin y Zmax; ellos corresponden a 0 y 100% de saturación de color respectivamente. Los demás valores de pendiente se relacionan con la escala porcentual por simple regla de tres. Use el Help de Surfer (Color Espectrum) para más detalles. Paso 3. Guarde el mapa de pendientes (File – Save) llamando al mapa resultante Slope_image.srf. Aún no cierre el mapa!. Paso 4. Editar la paleta de color y hacer un mapa de pendientes con las categorías que solicita la Secretería Técnica Nacional del Ambiente (SETENA). Inicie el programa Bloc de notas (Notepad). Abra el archivo Slope_color.clr. Guarde el archivo (File – Save as) con el nombre Slope_color_setena.clr. Modifique el archivo, de modo que quede de la forma que se indica en la figura 32. Guarde el archivo Slope_color_setena.crl modificado (File – Save). Vaya ahora a Surfer; en la ventana del control de capas “doble click” sobre el botón del Image Map ( ) para la ventana del Image Map Properties. Abra (“click”) la paleta de color y cargue (Load) la paleta Slope_color_setena.clr. La imagen de pendientes adquiere ahora más Figura 32. apariencia de mapa y muestra las 6 categorías de pendiente exigidas por SETENA (figura 33). Dichas categorías son: 0-3%, 3-8%, 8-15%, 15-30%, 30-60% y > 60%. Puesto que Surfer no calcula la pendientes en porcentaje, sino en grados, es necesario transformar primero los grados a porcentajes; además, como la escala de color de Surfer se asigna en porcentajes de saturación, es necesario calcular a que porcentaje de saturación corresponde cada categoría del mapa de pendientes (Figura 34). Figura 33. Para obtener el valor de saturación de color que corresponde a las pendientes en grados, tome el valor límite de cada clase y divídalo por el valor máximo de pendiente (en grados), que para esta imagen es 58.015°, y luego multiplique por cien. Póngale atención también al truco de repetir los colores en la paleta de colores (figura 32), como medio para obtener colores sólidos “graduados”, en vez de colores sólidos continuos. 209000 208500 55 50 208000 45 40 207500 35 30 207000 25 20 206500 15 10 206000 5 205500 205000 522000 522500 523000 523500 524000 524500 525000 525500 UCR/ESC.GEOGRAFÍA/R.ARCE/I_2016. SETENA (%) 0-3 3-8 8-15 15-30 30-60 >60 SETENA(GRAD OS) 0.000 – 1.718 1.718 – 4.574 4.574 – 8.531 8.531 – 16.699 16.699 – 30.964 30.964 – 58.016 SAT_COLOR (%) RGB 0 – 2.961 2.961 – 7.884 7.884 – 14.705 14.705 – 28.784 28.784 – 53.372 53.372 – 100 0 102 51 0 200 0 150 255 102 255 255 0 255 150 0 255 0 0 Figura 34. Paso 5. Acepte el cambio en la paleta de color de Sufer y aplíquelo para obtener un mapa como el que se muestra en la figura 33. Guarde (File – Save as) el mapa como Map_color_setena.srf.