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XIV Reunión Nacional de Cuaternario, Granada 2015
R-PROFILER: UN COMPLEMENTO PARA ARCGIS QUE PERMITE LA
EXTRACCIÓN DE PERFILES NORMALIZADOS Y PARAMETROS ASOCIADOS
J. V. Pérez-Peña (1,2), M. AlAwabdeh (1), J. P. Galve (1), J. M. Azañón (1,3), D. Notti (1), F. Giaconia (1), G. Booth-Rea (1,3)
(1)
(2)
(3)
Departamento de Geodinámica, Universidad de Granada, Avd. Fuentenueva s/n, 18071-Granada. [email protected]
Instituto Andaluz de Geofísica. Campus Universitario de Cartuja. Universidad de Granada.
Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra, CSIC-UGR, Granada, España
Abstract (R-Profiler: An ArcGIS Add-In to extract normalized profiles and related parameters): Thanks to the present-day
great availability of high resolution Digital Elevation Models, tectonic geomorphology analyses have improved their methodological
and geological significance. Among the entire spectrum of tectonic geomorphological techniques, morphometric indexes related to
drainage networks are the most used. Most of these morphometric analyses are conducted in GIS software, which have become
standard tools for analyzing drainage network metrics. In this work we presented an ArcGIS Add-In to automatically delineate
normalized river profiles and related morphometric indexes as normalized concavity (CT), maximum concavity (Cmax) and length of
maximum concavity (Lmax). The tool is programmed in visual basic .net and uses ArcObjects library architecture to access directly
to river and elevation data. This tool allows analyzing normalized profiles within ArcMap environment, which facilitates the spatial
analysis of drainage networks. The Add-In can analyze several rivers at once and provides graphical output in image (jpg) and
vectorial (wmf) formats. To illustrate how this tool works, we analyzed several rivers of the Eastern margin of the Dead Sea (NW
Jordan).
Palabras clave: Perfiles normalizados, ArcGIS, índices geomorfológicos, NO Jordania
Key words: Normalized profiles, ArcGIS, geomorphic indexes, NW Jordan
avanzados de software para su correcta ejecución.
Muchas veces el investigador no solo tiene que tener
un conocimiento preciso del significado geológico y
tectónico de las técnicas que aplica, sino también un
conocimiento técnico avanzado para poder aplicarlas
con éxito. Paquetes software de SIG de escritorio de
fácil manejo como ArcGIS, QGIS, GVSIG, GRASS,
etc., sirven como puente en este sentido, pues
facilitan la utilización de técnicas muy potentes de
análisis espacial sin necesidad de contar con una
conocimiento técnico excesivo (Grohmann, 2004;
Guth, 2006; Coblentz y Karlstrom, 2011). En este
sentido, este tipo de software también posibilita el
desarrollo de scripts, macros o Add-ins que pueden
hacer uso de las potentes librerías de análisis de los
mismos para desarrollar algoritmos muy específicos
(Pérez-Peña et al., 2009; Queiroz et al., 2015).
INTRODUCCIÓN
En las últimas décadas la geomorfología tectónica ha
experimentado un gran desarrollo gracias a los
Sistemas de Información Geográfica y a codificación
digital de datos del relieve. La aparición de los
primeros Modelos Digitales del Terreno (MDT) (Miller
y Laflamme, 1958) y las capacidades de análisis de
los primeros softwares de Sistemas de Información
Geográfica (SIG) como SYMAP, supusieron una
gran revolución en el modo de tratar y analizar la
topografía. Estos MDT de tipo ráster ofrecen una
distribución continua de elevaciones en formato
matricial, lo que facilita enormemente la
cuantificación de las variables topográficas y el
análisis espacial de las mismas.
La evolución de las técnicas de análisis cuantitativo y
morfométrico ha estado ligada al desarrollo de los
SIG, tanto a nivel de software como de hardware. Si
bien muchas de las técnicas utilizadas en
morfometría fueron propuestas a principios de la
década de los 80, no ha sido hasta la última década
cuando realmente se ha producido un avance
considerable en la discusión científica sobre la
utilidad y el significado de las mismas. Este avance
ha sido impulsado por una mayor disponibilidad de
datos de calidad del relieve (MDT de alta resolución)
y el aumento paulatino en la capacidad de análisis
de los sistemas informáticos con hardware cada vez
más potente y compacto. La aparición de MDT de
cobertura global obtenidos por radargrametría
(misiones SRTM y modelos ASTER) tuvo como
consecuencia directa el que se pudieran realizar
análisis morfométricos en áreas remotas pero de
gran interés geológico y tectónico como el Himalaya
o las montañas de Taiwan (Burbank et al., 1996;
Brozovic et al., 1997; Brookfield, 1998; Chen et al.,
2003).
Dentro de los análisis morfométricos que se pueden
aplicar al relieve, la extracción y análisis de redes de
drenaje ocupa un lugar principal. Las redes de
drenaje tienen una gran capacidad de adaptación a
cambios en el relieve producidos por variaciones
tectónicas, climáticas y/o litológicas. Es por ello que
este tipo de análisis ha sido ampliamente utilizando
en estudios de tectónica activa (Pérez-Peña et al.,
2010; Burbank y Anderson, 2013).
En esta comunicación presentamos la aplicación RProfiler, diseñada como un módulo o Add-In para
ArcGIS, uno de los software SIG más utilizados en la
actualidad. Esta herramienta posibilita la extracción y
análisis de perfiles normalizados, así como de sus
parámetros asociados, constituyéndose así en una
herramienta muy útil para analizar perfiles
longitudinales de una manera rápida y práctica. Para
ilustrar su funcionamiento, presentamos un pequeño
ejemplo de aplicación en algunos ríos del margen
Este del Mar Muerto (NO de Jordania).
La aplicabilidad de muchas de las técnicas
morfométricas de análisis del relieve está a menudo
limitada por la necesidad de conocimientos
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limitación de transporte (detachment-limited or
bedrock rivers) el perfil de equilibrio establece las
relación entre la pendiente del lecho del río (que es a
su vez una aproximación a la pendiente del agua) y
la descarga. Variaciones del perfil de equilibrio o
"gradado" de un río tendrán como consecuencia la
aparición de puntos de inflexión o knickpoints en el
perfil longitudinal del mismo (Burbank y Anderson,
2013).
La
representación
normalizada
de
perfiles
longitudinales (Fig. 1) tiene la ventaja de permitir la
comparación entre ríos con diferentes longitudes y
gradientes (Demoullin, 1998; Ruszkiczay-Rüdiger et
al., 2009). Además, este tipo de representaciones
resalta las variaciones de pendiente con mayor
claridad que los perfiles semilogaritmicos (Hack,
1957). La concavidad del perfil logarítmico (CT) se
define como el área expresada en tanto por ciento
del triángulo OAB entre el perfil y la línea recta que
une los puntos de desembocadura y cabecera (Fig.
1). Como esté área es calculada como una integral,
en cada punto del perfil podemos calcular un valor
de concavidad (Ci), como la distancia entre el perfil y
la línea recta de equilibrio. Así pues podemos definir
para cada perfil una concavidad máxima (Cmax). El
valor de Cmax será redundante con respecto a CT,
pero la posición de la máxima concavidad con
respecto a cabecera (Lmax) aporta información
mucho más interesante. Este valor, que variará de 0
a 1, será más pequeño en perfiles que estén más
próximos al equilibrio (Demoullin, 1998).
Fig. 1: Perfil normalizado y parámetros morfométricos
asociados. A: Cabecera, B: Desembocadura. CT:
concavidad (expresada como tanto por ciento respecto al
triángulo OAB), Cmax: concavidad máxima, Lmax: posición
de la concavidad con respecto a cabecera (normalizada).
PERFILES LONGITUDINALES NORMALIZADOS
El perfil longitudinal de un río mide las variaciones en
el gradiente del mismo desde cabecera hasta
desembocadura (a la confluencia con otro río
principal o al mar), y es una herramienta muy
utilizada para evaluar el equilibrio entre erosión
fluvial y levantamiento tectónico. En ríos sin
Fig. 2: Ventana principal de R-Profiler en ArcMap. El módulo permite calcular varios ríos a la vez y cuenta con un selector para
poder cambiar entre distintos ríos. Los párametros morfómetricos CT, Cmax y Lmax son calculados para cada río y mostrados en
el perfil. El programa también incorpora la posibilidad de suavizar los perfiles mediante medias móviles para evitar saltos y errores
típicos de MDE de baja resolución como el SRTM o ASTER.
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para cada punto utilizando una interpolación bilineal
de las 4 celdas del modelo más cercanas. De este
modo se suavizan posibles errores puntuales. La
aplicación da la opción de eliminar picos ("spikes"), y
de analizar solamente los ríos seleccionados en vez
de todos los ríos presentes en la capa vectorial.
R-PROFILER
El complemento "R-PRofiler" está programado en
Visual Basic.Net y se integra como un Add-In para el
software ArcGIS 10.x (Figs. 2 y 3). Esta aplicación
utiliza las librerías COM de ArcGIS que forman los
ArcObjects, y que se pueden considerar los bloques
fundamentales de código sobre los que se construye
este SIG. El interactuar directamente con ArcObjects
ofrece numerosas ventajas y da una mayor libertad a
la hora de diseñar y programar algoritmos de
análisis, ya que se no está limitado a la utilización de
las herramientas de análisis por defecto. Esto a su
vez permite un acceso directo a las geometrías
(ráster y vectoriales) mediante las funciones y
métodos propias de la arquitectura interna de
ArcGIS.
Una vez se han extraído los perfiles, se procede a la
normalización de los mismos y a la extracción de los
parámetros CT, Cmax y Lmax. La interfaz gráfica del
programa permite la visualización de los perfiles
analizados, indicando los parámetros morfométricos
indicados anteriormente (Fig. 3). También ofrece la
posibilidad de suavizar el perfil mediante la
aplicación de medias móviles y proporciona una
salida gráfica en formatos imagen (jpg) y vectorial
(wmf).
EJEMPLO DE APLICACIÓN EN EL MAR MUERTO
Para demostrar la utilidad de esta herramienta
hemos realizado un pequeño análisis en la el borde
NE del Mar Muerto (NO de Jordania) (Fig. 4). Esta
zona ha estado sometida en el Cuaternario a una
bajada del nivel de base muy pronunciada. Tanto es
así, que el Mar Muerto se encuentra en la actualidad
a una cota topográfica de 400 metros bajo el nivel
del mar.
Para el análisis se han seleccionado 4 ríos; tres de
los cuales vierten directamente al Mar Muerto y otro
que desemboca en el río Jordán.
Desde un punto de vista geológico, la zona está
caracterizada por la actividad tectónica de la falla del
valle de Araba (WAF) y su relación con otras
estructuras activas como son las estructuras de
Amman-Hallabat (AHS) y Shueib (SHS). Estas dos
últimas estructuras se habían considerado inactivas
desde el Cretácico, pero estudios muy recientes han
propuesto una reactivación cuaternaria de las
mismas (Diabat, 2009; AlAwabdeh et al., 2015).
Fig. 3: Barra de herramientas de ArcMap con el Add-In RProfiler cargado, y ventana de selección inicial de
parámetros (ríos y MDE).
La aplicación toma como datos de entrada uno o
varios ríos (en formato vectorial) y un Modelo Digital
de Elevaciones. El perfil se construye mediante la
asignación de alturas a intervalos iguales a la
resolución espacial del MDE tipo ráster. Esta
densificación asegura que extrae toda la información
posible de la superficie. Las alturas son calculadas
Fig. 4: Localización de los ríos analizados en el margen NO del Mar Muerto (Jordanía). Las principales estructuras tectónicas
están indicadas. WAF: Wadi Araba Fault, AHS: Amman-Hallabat Structure, SHS: Sueib Structure. El cuadro superior izquierdo
muestra la localización de la zona de estudio en el contexto del límite de placas entre las placas Arábica y Africana definido por la
transformante del Mar Muerto.
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producido por las estructuras activas asociadas a la
transformante del Mar Muerto como son la WAF,
AHS y SHS.
Los 4 perfiles normalizados extraídos muestran
características muy interesantes. Los perfiles 2 y 3,
presentan perfiles con muy poca concavidad e
incluso convexos (Fig. 5). Tradicionalmente se ha
considerado que la WAF terminaba en el borde NE
del Mar Muerto, y que toda la actividad se transfería
al siguiente segmento activo de la transformante del
Mar Muerto, la falla del valle del Jordán (JVF en Fig.
4). Sin embargo, un estudio reciente ha propuesto
que la WAF continua al NE pasando de tener un
salto puramente de salto en dirección, a una
componente inversa considerable. Los perfiles 2 y 3
estarían de acuerdo con esta nueva teoría,
respondiendo al levantamiento activo de esta
estructura con perfiles casi convexos. Por el
contrario, el perfil 4, situado en una zona donde la
WAF tiene componente puro de salto en dirección,
presenta mayor concavidad. El perfil 1 muestra un
comportamiento intermedio, con un primer tramo
convexo y un segundo tramo cóncavo. Esto puede
ser debido a que la WAF transfiere el movimiento
hacía el NE a las estructuras de Amman Hallabat y
Shueib. La primera parte del perfil discurre en la
zona de unión de estas fallas, mientras que el
segundo tramo del perfil se aleja de la zona más
activa.
Agradecimientos: Esta comunicación ha sido possible
gracias a los proyectos CGL2011-29920, CTM2007-66179C02-01/MAR del Ministerio de Ciencia e Innovación y a la
beca Project from the Spanish Ministry of Science and
Innovation.
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Fig. 5: Perfiles para los 4 ríos del margen NE del Mar
Muerto analizados. Los ríos 2 y 3 atraviesan la zona
sometida a un mayor levantamiento.
CONCLUSIONES
En este trabajo hemos presentado R-Profiler, una
herramienta para extraer perfiles normalizados y
parámetros asociados en ArcGIS. Esta herramienta
está desarrollada como un Add-In, por lo que se
integra perfectamente dentro del entorno de ArcMap
y permite el análisis espacial de redes de drenaje sin
necesidad de software adicional de representación
gráfica. El Add-In ofrece la posibilidad de representar
más de un perfil y proporciona una salida gráfica
tanto a formato imagen (jpg) como vectorial (wmf).
Este tipo de utilidades facilitan la labor de análisis del
relieve, pues se integran en el software SIG con el
que normalmente se analizan los patrones
espaciales de drenaje.
La extracción de perfiles normalizados en el border
NE del Mar Muerto pone de manifiesto una relación
entre la concavidad de los ríos y el levantamiento
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