Herramientas de Saga Gis en QGis para análisis hidrológico

El objetivo de este artículo es dar a conocer las funciones de los módulos que podrían ser de utilidad para el procesamiento y visualización de información relacionada con el modelamiento de cuencas hidrológicas. Específicamente este ensayo estará orientado a ver las herramientas del menú “Procesado” en QGis 2.0 basadas en el software Saga Gis.

El nuevo menú Procesado

Dentro de la barra de menú del programa QGis 2.0.1 se encuentra el botón “Procesado”. Al hacer click sobre él se desplegarán 6 opciones: Caja de herramientas, Modelador gráfico, Historial y registro, Opciones y configuraciones, Visor de resultados y Comandos.

Dentro de la opción “Caja de herramientas” se muestra la lista de todos los algoritmos disponibles agrupados en diferentes bloques y es el punto de acceso para ejecutarlas, ya sea como un proceso único o como un proceso por lotes. La caja de herramientas contiene todos los algoritmos disponibles, divididos en grupos predefinidos. Todos estos grupos se encuentran en una categoría independiente del árbol llamado Geoalgorithms. Estos algoritmos se apoyan en otros programas, los cuales son:

• GRASS
• SAGA
• OTB
• Algoritmos nativos de QGIS

Módulos de Saga Gis

Dentro de los módulos del programa Saga Gis 2.0.8 se necesita ingresar información que luego será procesada bajo el algoritmo deseado y así obtener la data procesada. Para ello, es importante tener en cuenta que hay una estructura al ingresar información a los módulos:

 

Grilla sin depresiones

Output: Un grid sin depresiones u ondonadas.
Input Necesaria: DEM
Ubicación del módulo: 
• QGis: Procesando/Geoalgorithms/Domain specific/Terrain analysis and morphometry/Fill sink
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Processing/Fill sink
Observaciones: Esta es una herramienta muy útil porque al utilizar una opción que  trabaje con el flujo de escorrentía es necesario retirar las depresiones porque a través de ellas no habrá escurrimiento.

Características esenciales de la cuenca

Output: 2 grids:
• Uno que muestra la dirección horizontal a la que se enfrenta a una cuesta de montaña (aspecto).
• El segundo muestra las pendientes.
Input Necesaria: DEM.
Opcional: Sink route será necesario si el DEM de elevación tiene depresiones.
Ubicación del módulo:        
• QGis: Procesando/Geoalgorithms/Domain specific/Terrain analysis and geomorphology/Slope, aspect, curvature
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/ Morphometry/Slope, aspect, curvature

Clasificación de las formas del terreno

Output: Un grid en donde se identifica: pico, hondonadas, paso, descanso convexo, descanso cóncavo, cresta y canal
Input Necesaria: DEM.
Ubicación del módulo:     
• QGis: Procesando/Geoalgorithms/Domain specific/Terrain analysis and morphometry/Surface specific points
• Saga Gis: Modules/Terain analysis/Morphometry/Classification/Surface specific points

Curva hipsométrica

Output: Datos en forma tabular y gráfica que representan la curva hipsométrica
Input Necesaria: DEM.
Input Opcional: Sink route será necesario si el DEM de elevación tiene depresiones.
Ubicación del módulo:         
• QGis: Procesando/Geoalgorithms/Domain specific/Terrain analysis and morphometry/ Hypsometry
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Morphometry/Hypsometry

Área de captación

Output: Grids donde señalan una característica del terreno que aporta escorrentía a un pixel.
• Catchment area: Área  de todas las celdas que drenan a que una.
• Cathment slope: Pendiente media de todas las celdas que drenan a que una.
• Catchment hight: Altura media de todas las celdas pendiente arriba menos la altura de la celda considerada
Input Necesaria: DEM
Input Opcional: Sink route será necesario si el DEM de elevación tiene depresiones.
Ubicación del módulo:        
• QGis: Procesando/Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/Catchment area (flow tracing) 
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Hydrology/Catchment area/Parallel Processing ó, Recursive Upward Processing, ó Flow Tracing
Observaciones: En Saga Gis existen más metodologías que te permiten determinar el área de captación que en QGis. Dentro de las opciones que ofrece Saga Gis cada módulo permite generar más de un grid, no sólo el Área de captación, sino algunos otros, que variarán según el método se escoja. Sin embargo, los tres grids señalados como Output grid están presentes en los tres métodos

Área pendiente arriba (opción interactiva)

Output: Un grid interactivo que muestra el área de todas las celdas que drenan a un pixel específico.
Input Necesaria: DEM.
Input Opcional: Sink route será necesario si el DEM de elevación tiene depresiones.
Ubicación del módulo:        
• QGis: No cuenta con este módulo                                                                     
• Saga Gis: Terrain Analysis/Hydrology/Catchment area/Upslope Area [Interactive] 
Nota:
Los módulos interactivos permiten obtener la característica gráfica de un punto. Esto quiere decir que, al abrir el módulo, este le permitirá hacer click sobre un punto del grid y sobre este aparecerá la característica a representar, en este caso, la extensión y ubicación del área pendiente arriba.

Longitud de la red de flujo

Output: Un grid que muestra la longitud de la red hídrica
Input Necesaria: DEM.
Ubicación del módulo:        
• QGis: Procesando/Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/Flow path length
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Hydrology/Fill sink/Catchment area/Flow path length
Observaciones: Esta es una herramienta muy útil porque al utilizar una opción que  trabaje con el flujo de escorrentía es necesario retirar las depresiones porque a través de ellas no habrá escurrimiento.

Red hídrica

Output: Un grid donde se identifican los canales
Input Necesaria: 
• DEM
• Initiation grid: el cual indica las celdas desde donde la escorrentía empezará. Usualmente, se utiliza el Catchment area grid
Input Opcional: 
• Initiation Type: permite definir las condiciones a partir de las cuales el flujo comienza (por ejemplo, puede ser mayor o menor a 100000 en unidades del grid)
• Min. Segment Length: permite determinar una longitud mínima del canal.
Ubicación del módulo:        
• QGis: Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/Chanel network
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Channels/Channels network

Índice de humedad/wetness index

Output: Un grid que representa la tendencia de una celda para producir escorrentía, considerando que un área con mayor humedad es más propensa a saturarse. Este es un índice que está muy relacionado con la humedad del suelo tomando una humedad constante.
Input Necesaria: DEM.
Ubicación del módulo:    
• Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/saga wetness index
• Modules/Terrain analysis/Basic terrain analysis

Factor LS/LS factor (Soil Loss Equation)

Output: Un grid que representa el parámetro LS. Este es un parámetro relacionado con la erosión donde se representa la pérdida de masa de suelo por unidad de área.
Input Necesaria: DEM.
Ubicación del módulo:    
• Geoalgorithms/Domain specific/Terrain analysis and gemorphometry
• Modules/Terrain analisys/Hydrology/Topographic indices/LS factor
Observaciones:
El módulo trabaja con la ecuación: W = a/ln S
Donde: a: área de captación (Catchment area); S: pendiente

Índice topográfico de humedad/Topographix wetness index (TWI)

Output: Un grid que representa la extensión de la acumulación del flujo en un punto específico de la topografía. 
Input Necesaria: DEM.
Ubicación del módulo:
• QGis: Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/saga wetness index
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Basic terrain analysis
Observaciones: Este índice puede ser utilizado para describir la distribución espacial de la humedad del suelo y otros procesos relacionados a la topografía. Mientras el área de captación aumente y la gradiente de pendiente disminuya, e TWI y la humedad en el suelo aumentarán. Esto conllevaría a una mayor correlación entre la humedad del suelo y TWI que el área de captación y el gradiente de pendiente.
El módulo rabaja con la ecuación: TWI=  Ln("f"/Tan("s"))
Donde: f: flow accumulation; s:pendiente 

Cuenca hidrográfica 

Output: Un grid donde se identifican la o las cuencas/microcuencas
Input Necesaria: 
• DEM.
• Channel network el cual señala la red hídrica (visto anteriormente)
Input Opcional: 
• Sink route será necesario si el DEM de elevación tiene depresiones.
• Min. Size permite determinar un tamaño mínimo de cuenca en unidades de pixel
Ubicación del módulo:
• QGis: Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/Watersheed basins
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Channels/Watherseed basin
Observaciones: Otra manera de delimitar el tamaño de la cuenca es proporcionando un grid de Cannel network menos detallados (con un menor número de canales).
Para la creación de este grid se considera que todas las celdas que representan una intersección entre los diferentes segmentos de canal son una desembocadura de las cuencas.

Distancia vertical a la  red hídrica

Output: Grid donde identifica la distancia vertical entre el pixel y el canal más cercano
Input Necesaria: 
• DEM.
• Channel Network, aquí se necesita ingresar un grid ya sea el channel direction o channel network.
Opcional: Min. Segment Length permite determinar una longitud mínima del canal .
Ubicación del módulo:
QGis: Geoalgorithms/Domain specific/Hydrology/Vertical distance to channel network
Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Channels/Vertical distance to channels network

Líneas isócronas de velocidad constante 

Output: Un grid donde se identifican el tiempo (horas), a velocidad constante, que le toma a la escorrentía llegar a la salida de la cuenca desde el interior de un pixel.
Input Necesaria: DEM.
Ubicación del módulo:        
• QGis: No cuenta con este módulo                                                                     
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Hydrology/Dynamics/Isochrones constant speed [Interactive]
Observaciones: A partir del histograma de este grid se puede calcular un hidrograma unitario de la cuenca, superando la precisión de otras alternativas más sencillas, como el hidrograma unitario triangular. Este no va a ser un hidrograma sintético, sino una "real", calculado utilizando la información de la propia cuenca y algunas leyes físicas sencillas sobre el flujo de agua. Sin embargo, no es muy realista tener en cuenta en la que el agua se mueve a la misma velocidad a través de todas las  celdas (área de tiempo por lo general sub-estimado utilizando este método).

Líneas isócronas de velocidad variable

Output: Un grid donde se identifica el tiempo (horas), a velocidad constante, que le toma a la escorrentía llegar a la salida de la cuenca desde el interior de un pixel.
Input Necesaria: 
• DEM.
• Grid de elevación, pendiente y área de influencia
Input Opcional: 
• Curve Number/coeficiente de escurrimiento: se utiliza para estimar la escorrentía de las lluvias
• Manning’s N number/ Número N de Manning: define la rugosidad de flujo de cada celda y se utiliza para calcular la velocidad de flujo. Si no cuenta con información acerca de estos parámetros cuadriculados.
Ubicación del módulo:        
• QGis: No cuenta con este módulo                                                                     
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Hydrology/Dynamics/Isochrones variable speed [Interactive]

Relieve de montaña/Hillshading

Output: Se crea una grilla con sombras que permiten percibir mejor el relieve.
Input Necesaria: DEM
Input Opcional: 
• Se puede elegir entre 3 métodos: Simple,  Differentiate Shadowed Area, Ray Tracing. Siendo el primero el valor tomado por defecto.
• Exaggeration: Permite modificar el contraste.
Ubicación del módulo:
• QGis: Geoalgorithms/Domain specific/Viewsheds\Lighting/Analytical hillshading
• Saga Gis: Modules/Terrain analysis/Lighting/Analyticalhillshading 
Observaciones: Se logra este grid modificando los valores del Azimuth y ángulo de declinación

Notas:

1. DEM: Digital Elevation Model/ Modelo digital con información de elevación
2. Todos los módulos cuentan con información necesaria sin la cual no procedería la herramienta, pero también suelen contar con información opcional. Este último tipo puede ser esencial según el tipo de información necesaria que se ingrese, por ejemplo, si se trabaja con un DEM con depresiones se necesitará ingresar un grid de Sink route; trabajar con un DEM pre procesado por el Fill sink ya requerirá el grid Sink route. Por otro lado, la información opcional podría mejorar la calidad del grid de salida pero de no tenerla se trabajaría con datos ingresados por defecto. Como en el grid Hillshading, donde es posible modificar la exageración para mejorar el contraste, pero esta información es prescindible.