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Acta geológica lilloana 29 (1): 39–51, Junio 2017
Modelos digitales de elevación: correcciones
altimétricas para uso hidrológico en áreas de llanura
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Resumen — La representación del movimiento del agua sobre el terreno hacia los cauces
se genera a partir del procesamiento de mapas topográficos en un entorno de sistemas de
información geográfica y teledetección. El objetivo del trabajo fue la definición de un sistema
de drenaje superficial en una cuenca de llanura a partir del modelo digital de elevación global
ajustado geodésicamente en el norte de la cuenca del Río Salado (subregión A1). Como
información base se utilizaron capas vectoriales de drenaje e información de topografía del
SRTM90. Este último ha sido ajustado geodésicamente a través de información geodésica de
GPS y nivelación. Con el SRTM corregido y la herramienta Arc Hydro Tools se logró definir un
sistema de drenaje que involucra la subregión A1 corregida. Por último se realizó un análisis
multitemporal de cuerpos de agua, provenientes de distintas fuentes de información nacional
(IGN) e internacional (Observatorio de Inundaciones Dartmouth, USA). Este procesamiento
permitió diferenciar su ocupación superficial durante periodos de estiaje o inundación y per-
mite la toma adecuada de decisiones en relación a la prevención o mitigación de alertas en
una zona llana; en especial en lugares con proximidad a zonas pobladas o agropecuarias.
Se concluye que a medida que se detallan las características topográficas de una zona, con
correcciones geodésicas con datos de campo, es posible delimitar con mayor precisión a una
cuenca hidrográfica junto con su sistema de drenaje superficial.
Palabras clave: Sistema de drenaje, cuenca del Río Salado, SRTM90, ajuste altimétrico.
ä
Abstract — “Digital elevation models: altimetric corrections for hydrological usage in flat
areas”. The representation of water movement on the ground towards the courses of water is
generated from the processing of topographic maps in an environment of geographic informa-
tion systems and remote sensing. The objective of this work was to define a surface drainage
system in a plain basin based on a geodetically adjusted digital elevation model in the north
of the Salado River Basin (A1 region). Drainage vector layers and the SRTM90 topography
information were used as primary data. The latter has been geodetically adjusted through GPS
and levelling information. With the corrected SRTM and the Arc Hydro Tools, it was possible
to define a drainage system that involves the corrected A1 region. Finally, a multi-temporal
analysis of water bodies, from different sources of national (IGN) and international information
(Dartmouth Flood Observatory, USA) was carried out. This allowed differentiating its surface
occupation behavior during dry or flood periods, and contributes to taking the appropriate
decision to prevent or mitigate alerts from the rising of water bodies in a flat area of similar
extension; especially in places close to populated or agricultural areas. It is concluded that as
the topographic features of a region are detailed and corrected by means of geodetic data,
it is possible to delimit a watershed together with its surface drainage system with more
precision.
Keywords: Drainage system, Rio Salado basin, SRTM90, altimetric adjustment.
Recibido: 26/12/16 – Aceptado: 08/05/17
María E. Gómez*
1,3
, Fernanda J. Gaspari
2
, Raúl A. perdomo
1,3
, Lautaro E.
s
imontacchi
1
, Fabio A. montealeGre medina
2
, Alfonso M. rodríGuez VaGaria
2
,
María F. taVarone
1
, Gabriela E. senisterra
2
1
Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas, UNLP.
2
Cátedra de Manejo de Cuencas Hidrográficas. Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales, UNLP.
3
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Argentina.
* Email de contacto: megomez@fcaglp.unlp.edu.ar
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M. E. Gómez et al.: Modelos digitales de elevación para uso hidrológico en áreas de llanura
INTRODUCCIÓN
La dinámica temporal y espacial de una
cuenca hidrográfica es función de las carac-
terísticas topográficas, geológicas, climáticas
y de vegetación y está íntimamente ligado a
la relación entre aguas superficiales y subte-
rráneas (Gaspari et al., 2009).
La representación del movimiento del
agua sobre el terreno hacia los cauces se
genera a partir de la aplicación de modelos
cartográficos con mapas topográficos en un
entorno de sistemas de información geográ-
fica (SIG) y algunos modelos hidrológicos e
hidráulicos.
Los modelos hidrológicos son una herra-
mienta útil para la evaluación y análisis de
los recursos hídricos. Constan de entradas y
salidas que consisten en variables hidrológi-
cas mensurables conectadas por medio de
ecuaciones (Chow et al., 1994). Al ser una
representación incompleta de la realidad,
se debe definir de manera clara el objetivo
para el cual es aplicado, la exactitud de la
respuesta a las simulaciones y las variables
de entrada que utiliza (según disponibilidad
de base datos, costo y tiempo para su rele-
vamiento).
Las propiedades morfométricas de una
cuenca hidrográfica proporcionan una des-
cripción física espacial que permite realizar
comparaciones entre distintas cuencas hidro-
gráficas (Gaspari et al., 2009), aportando los
datos básicos para los modelos hidrológicos.
Al mismo tiempo, pueden proporcionar con-
clusiones preliminares sobre las característi-
cas ambientales del territorio a partir de la
descripción precisa de la geometría de las
formas superficiales (Henaos, 1988), como
así también, la estimación de variables hi-
drológicas asociadas que permitan evaluar
procesos y eventos extremos (inundaciones,
sequías, desertificación). Estos últimos son
temas de primer orden en la gestión y ad-
ministración del territorio, cuya inclusión
en la agenda política conducen a la toma
de decisiones inteligentes sobre un espacio
determinado.
Otra herramienta de importancia en la
modelización hidrológica, es la observación
remota de la superficie terrestre que cons-
tituye el marco de estudio de la teledetec-
ción. En sentido amplio, la teledetección
no engloba solo los procesos que permiten
obtener una imagen, sino también su pos-
terior tratamiento, en el contexto de una
determinada aplicación (Chuvieco, 2002).
La teledetección es el sistema integral de
captura de información territorial (a partir
de la radiación electromagnética captada
por el sensor) que se emplea cada día con
mayor asiduidad para la captura tanto de in-
formación temática (medioambiental), como
de información topográfica (modelo digital
de elevación, planimetría) (Arozarena et al.,
1989). De acuerdo con Díaz et al. (2010),
la teledetección espacial es una importante
fuente de datos para derivar a un MDE.
El uso conjunto con los modelos de pro-
yección cartográfica es relativamente confia-
ble, debido a la eficacia y exactitud espacial
que le otorga el uso de bases de datos geo-
gráficos, integrados a un SIG. Estos modelos
se han transformado en una herramienta de
análisis espacial que permite explorar los
mecanismos hidrológicos, ambientales y
socioeconómicos que utilizan parámetros
simples/complejos. También permiten vi-
sualizar patrones, relaciones y tendencias
de los cambios espacio - temporales, pro-
porcionando una perspectiva dinámica de
la información para la toma de decisiones
tendientes al ordenamiento territorial. Por
tal razón, al realizar procesos de ajuste a
la información base con datos tomados en
campo, considerando las características par-
ticulares de una zona de llanura, es posible
ajustar con mayor precisión los resultados y
la información topográfica e hidrológica de
la cuenca hidrográfica.
En el caso de áreas llanas, se presenta la
situación de que los mapas topográficos no
siempre coinciden con los mapas hidrológi-
cos debido a su poco gradiente de pendiente
y las geoformas presentes, generando inter-
pretaciones erróneas de la dirección de los
flujos superficiales y por ende la delimitación
de las cuencas por divisorias de aguas.
Para resolver esta situación se aplican
metodologías de ajuste de cotas en un mo-
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Acta geológica lilloana 29 (1): 39–51, Junio 2017
delo digital de elevación (MDE) por medio
de la combinación de datos topográficos con
hidrográficos.
Las cotas provistas por un MDE de co-
bertura global obtenido por teledetección,
están afectadas no sólo por errores propios
de la técnica con la que se obtienen, sino
también presentan, entre otros, diferencias
de tipo sistemática como el origen de las
mismas alturas (Rodríguez et al., 2005). En
el mejor de los casos, estas diferencias de
origen resultan constantes siendo su correc-
ción inmediata, sin embargo en otros casos
es variable. Esta variabilidad si bien puede
aumentar hacia zonas montañosas, también
puede estar presente en zonas llanas lo cual
agrega complejidad al estudio hidrológico
(Díaz et al., 2010).
Una manera de controlar estas diferen-
cias, es a través de puntos con información
geodésica (Rodríguez et al., 2006). Estos
permiten estimar los apartamientos entre
las alturas derivadas de un MDE global y
las observadas, como también el origen de
los mismos. Las alturas obtenidas con esta
técnica carecen de significado físico por lo
que su reducción a alturas ortométricas o de
tipo físico, requiere de un modelo de geoide
el cual tiene relación con la distribución de
masas topográficas. Cuánto mejor sea este
modelo, mejor será la determinación de la
topografía. Es importante mencionar que en
la obtención de alturas derivadas de interfe-
rometría radar, como en otras técnicas (Li-
dar, fotogrametría, etc), siempre interviene
el posicionamiento con GPS (Global Positio-
ning System).
Los modelos y la metodología que se pre-
sentan a continuación tienen por objetivo la
definición de un sistema de drenaje super-
ficial en una cuenca de llanura a partir del
MDE global ajustado geodésicamente.
MATERIALES Y MÉTODOS
El área en estudio fue la subregión A1 de
la cuenca del Río Salado en la región Pampa
húmeda bonaerense, específicamente en la
Pampa Deprimida. Es una región de llanuras
con un relieve muy suave, casi horizontal,
cubierta de depresiones locales, donde las
precipitaciones que llegan a la superficie
se almacenan formando encharcamientos
poco profundos y bañados, según describe el
Plan Maestro del Río Salado (PMRS) (MOSP,
1999).
Figura 1. Ubicación de la subregión A1 según PMRS y la cuenca del Río Salado completa.
Argentina.
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M. E. Gómez et al.: Modelos digitales de elevación para uso hidrológico en áreas de llanura
La Figura 1 muestra el límite de la su-
bregión A1 que abarca una superficie de
12.427,81 km
2
según el PMRS, distribuida
sólo en la provincia de Buenos Aires. Tam-
bién se presenta la delimitación completa
de la Cuenca del Río Salado definida por
el grupo de investigadores para el presente
trabajo.
La metodología aplicada se basó en cua-
tro etapas, donde se planteó una secuencia
que se inicia con el procesamiento de datos
de cartografía base topográfica con herra-
mientas SIG, hasta la definición de áreas
inundables con imágenes satelitales.
i. c
artoGrafía base antecedente:
e
l mde e hidroGrafía
Para el análisis de la topografía se con-
sideró el modelo digital de elevaciones
SRTM90 v.4, obtenido del sitio del Consorcio
de Información Espacial (CGIAR-CSI) que
ha sido pionero en la aplicación de Siste-
mas de Información Geográfica y Sensores
Remotos (RS) para el desarrollo agrícola
sostenible por más de una década (CGIAR-
CSI, 2004).
El SRTM90 fue obtenido a partir de la
misión Shuttle Radar Topography (SRTM).
Se trata del MDE de más alta resolución de
la superficie terrestre con tecnología radar,
con una resolución de 30 m para Estados
Unidos y 90 m para el resto del mundo
(Farr et al., 2007). Este modelo constituye
una grilla con cobertura global de alturas
ortométricas referidas al geoide del mode-
lo geopotencial global EGM96 (Lemoine et
al., 1998). Las alturas del SRTM90 tienen
un error nominal de 16 m pero en regiones
llanas, como la provincia de Buenos Aires,
este error puede ser inferior, llegando a los
3 m (Galván, 2012).
La cartografía base del sistema de dre-
naje se obtuvo a partir de capas temáticas
de acceso libre en la web del Instituto Geo-
gráfico Nacional y de la Infraestructura de
Datos Espaciales de la República Argentina
(IDERA, 2007) que publica datos, productos
y servicios de información geoespacial, de
manera eficiente y oportuna, como un aporte
fundamental a la democratización del acceso
a la información producida por el Estado y
diversos actores. Esta capa de información
representa los cuerpos de agua y drenajes
superficiales georreferenciados. La misma
fue procesada con el programa ArcGIS 10
® para definir y caracterizar morfométrica-
mente la cuenca. El límite de la subregión
A1 utilizado de base es el definido por el
PMRS (MOSP, 1999).
ii. c
orrección altimétrica
II.1. Observaciones de GPS/nivelación.—
Con el objeto de calibrar y mejorar el modelo
SRTM90 en la región en estudio, se realiza-
ron campañas de observación GPS sobre 11
puntos de nivelación pertenecientes a la red
altimétrica del Instituto Geográfico Nacional
(IGN). Parte de estos puntos se ubican en el
sur de la provincia de Santa Fe y sus obser-
vaciones fueron tomadas con equipos GPS
geodésicos de doble frecuencia. El procesa-
miento se realizó en modo diferencial y las
coordenadas finales están referidas al marco
de referencia nacional Posiciones Geodésicas
Argentinas 2007 (POSGAR 07) (IGN, 2009).
Las alturas geodésicas (h) obtenidas tienen
un error del orden de los 3 cm, producto
del marco de referencia y la metodología
empleada, lo que permite integrar estas ob-
servaciones a la existente en la región. Esta
última forma parte de los trabajos de Gómez
et al. (2006) y Perdomo et al. (2012), los que
aportan información del mismo tipo sobre el
noroeste de la provincia de Buenos Aires.
Se tiene entonces un total de 65 puntos con
datos de GPS y nivelación, de los cuales 25
se ubican en la subcuenca A1. La incorpo-
ración de estos puntos brinda robustez a la
determinación de las diferencias al mismo
tiempo que garantiza la continuidad de las
mismas entre la provincia de Buenos Aires y
el sur de Santa Fe.
Las mediciones GPS sobre puntos de ni-
velación, permiten obtener lo que se cono-
ce como ondulación geoidal (N) mediante
la ecuación de Heiskanen & Moritz (1967)
(Ecuación 1) donde expresan que siendo H,
la altura ortométrica, entonces:
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Acta geológica lilloana 29 (1): 39–51, Junio 2017
N = h – H (Ecuación 1)
En el presente estudio, al tratarse de ob-
servaciones directas sobre puntos de la red
de nivelación argentina, las alturas ortomé-
tricas están vinculadas a la referencia alti-
métrica nacional (0IGN), a diferencia de las
alturas derivadas del SRTM90. Esta ecuación
es de fundamental importancia para corregir
el modelo SRTM.
II.2. Ajuste por puntos de nivelación.— Las
alturas del SRTM90 no están vinculadas a
la referencia altimétrica argentina, y con-
siderando que cualquier obra hidráulica o
análisis hídrico debe realizarse en base a
alturas vinculadas a la referencia nacional
(0IGN), se planteó que con la ecuación de
Heiskanen & Moritz (1967) se definen las
alturas del SRTM90 para Argentina según
la Ecuación 2.
Hsrtm = h – Negm96 (Ecuación 2)
Siendo Hsrtm, la altura ortométrica re-
ferida al geoide del EGM96 definida por h
(altura geodésica, que se obtiene con GPS)
y por Negm96 que es la ondulación geoidal
proporcionada por el modelo EGM96.
De las ecuaciones 1 y 2, se desprende que
la corrección a las alturas del SRTM se pue-
de obtener aplicando la diferencia Negm96-
Nobs, correspondiendo Nobs a las ondulacio-
nes geoidales observadas, es decir, obtenidas
a partir de datos de campo. Teniendo en
cuenta que la resolución del SRTM es de 90
m, las correcciones arriba mencionadas se
aplicaron a partir de una grilla cuya cober-
tura y resolución son las mismas que para el
SRTM en su versión original.
La aplicación de este procedimiento dio
lugar al SRTM corregido (en adelante, SR-
TMc).
iii. c
omprobación del sistema de
drenaje con srtmc
La capa vectorial utilizada fue la hidro-
grafía (cursos y cuerpos de agua), men-
cionada en I, referenciada en coordenadas
geográficas en el Sistema WGS 84, Marco
de Referencia POSGAR 07. A partir de esta
capa se aplicó la herramienta de Arc Hydro
Tools, que analiza los MDE permitiendo es-
timar variables que aumentan la eficiencia
en el procesamiento de los modelos geoes-
paciales, la efectividad y la precisión del es-
tudio aplicados a la simulación hidrológica.
Esta herramienta es de carácter geoespacial
y temporal, desarrollada por el Centro de
Investigaciones en recursos de agua de la
Universidad de Texas, Estados Unidos, bajo
entorno de ArcGIS ® (ESRI, 2011).
El procesamiento con Arc Hydro se apli-
có al SRTMc para identificar el patrón de
drenaje superficial y sus derivados, que se
utilizaron para la delineación eficiente de
los límites rectificados de la subcuenca hi-
drográfica A1 y la generación de redes de
flujo. También se aplicaron para derivar
varios conjuntos de datos que describieron
colectivamente los patrones de drenaje de la
subcuenca. El análisis raster se realizó para
generar datos sobre la dirección del flujo, la
acumulación de flujo, la definición de cursos
de agua corregidos y definición de cuerpos
de agua, como ser lagunas.
La comprobación de la distribución geoes-
pacial se realizó aplicando las capas vecto-
riales del sistema de drenaje generado por el
IGN sobre los cursos de agua corregidos.
iV. i
nteGración de información de
inundaciones
A partir de la identificación y delimita-
ción de las lagunas con el SRTMc, se planteó
integrar a este nuevo límite las modificacio-
nes en tamaño espacio temporal que se pro-
ducen por el efecto de situaciones extremas,
como ser el caso de inundación y sequía.
Para ello se definieron fechas que represen-
ten estas dos situaciones hidrológicas en la
A1, a partir del análisis de series históricas
de precipitaciones diarias entre 2012 y 2015,
con datos otorgados por el Servicio Meteoro-
lógico Nacional para la estación Junín (SMN,
com. pers.) Estas situaciones hidrológicas ca-
racterizan tres estadios: sequía, inundación
y estado intermedio.
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M. E. Gómez et al.: Modelos digitales de elevación para uso hidrológico en áreas de llanura
Estos tres estadios climáticos se contras-
taron con los datos del monitoreo diario del
agua de la superficie terrestre, disponible en
el Observatorio de Inundaciones Dartmouth
(Dartmouth Flood Observatory, DFO) de la
Universidad de Colorado (USA). Esta base
de datos internacional otorga información
espacial para la detección de inundaciones,
la respuesta a inundaciones, la evaluación de
riesgos futuros y la investigación hidrológica,
siendo base de un proyecto de Ciencias Apli-
cadas de la NASA para ayudar al Programa
Mundial de Alimentos (2013-2017), (DFO,
1993). Este monitoreo diario permite deter-
minar límites entre agua y suelo, y detectar
presencia de agua superficial a partir de la
interpretación de información de Terra-MO-
DIS y Aqua-MODIS, disponible en el sitio
web del DFO.
Otra herramienta utilizada fue Google
Earth © que proporciona imágenes de dis-
tinta época para una misma región, y a par-
tir de éstas se analizaron los límites de la
ocupación de los cuerpos de agua para las
mismas fechas estudiadas, con el fin de iden-
tificar y corroborar el monitoreo DFO.
Por último se realizó un diagnóstico de
las variaciones entre la superficie de ocu-
pación de cuerpos de agua definidos como
bañados, considerando que son tierras ba-
jas, inundables, cercanas a ríos, arroyos o
lagunas.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
i. cartoGrafía base antecedente: el
mde
y el sistema de drenaje
En la Figura 2.1 se presenta la base car-
tográfica con la delimitación de la subregión
A1 planteada por el PMRS y de las capas
temáticas de referencia con información hi-
drográfica de la cartografía oficial producida
por el IGN, en el SIG250 (IGN, 2013).
Figura 2.1. Ubicación de la subcuenca A1 según PMRS y sistema de drenaje superficial.de IGN.