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GRAVEL ISSN 1678-5975 Janeiro - 2003 Nº 1 54-67 Porto Alegre

Manejo y Procesamiento de Información Oceanográfica C. M. Urien*; P. N. Cazenave* y L. R. Martins* * Sedimentological Research Group – SERG/ASOS

SUMÁRIO El objetivo de este trabajo es presentar la aplicación de métodos de obtención y manejo

de volúmenes importantes de información por medio de computadores personales (documentos en general, datos geológicos, meteorológicos, oceanográficos y de cualquier otra índole) y la aplicación de las técnicas de manipulación y procesamiento (graficación, mapeo, GIS – sistemas de información geográfica, selección estadística y tendencias) que se realizan por métodos matemáticos aplicados a las ciencias de la tierra, con la ayuda de programas existentes y/o accesibles en el mercado, con los cuales se hacen aplicaciones específicas de acuerdo a cada tarea. Los métodos, con criterios de organización y búsqueda, permiten, además, la detección de inconsistencias y errores y, por lo tanto, el filtrado de la información en base a criterios estadísticos. El procesamiento racional no sólo permite crear bases de datos de múltiples usos, sino que además, con universalismo para poder realizar intercambio y aplicarlo en otras ciencias o plataformas de hardware.

Con estos métodos de manejo masivo de datos se ha procesado información de cruceros oceanográficos en el Atlántico Sudoccidental, prestando atención a la información batimétrica con un manejo de más de 380.000 registros. El análisis de esta información permite una visualización detallada de las zonas de interés, así como su rápida representación bidimensional (2D) y tridimensional (3D) desde distintos puntos de observación y procesados reiteradamente hasta lograr la representación adecuada. Esta disciplina se ha aplicado para definir aspectos de la morfología del margen continental del sur de Brasil, Uruguay y Argentina, incluyendo al Plateau de Malvinas y cuencas profundas, permitiendo así definir los quiebres de plataforma, talud y elevación continental en forma estadística para definir adecuadamente los límites reales y no exclusivamente batimétricos. Por métodos de derivadas y selección en conjunto de familias de puntos afines, se procede a un mapeo selectivo de las zonas clave.

Sucesivas secciones batimétricas, normales al margen continental, son seleccionadas y construidas en forma automática por el computador y pueden ser proyectadas a una traza común para apreciar virtualmente los cambios topográficos en visones 2D y 3D.

Estos métodos han permitido, luego de sucesivas corridas, optimizar la información a los fines de lograr un mapeo adecuado y detectar las áreas de interés, límites de margen continental, cañones, basamento y espesores sedimentarios.

ABSTRACT The main purpose of this work is to show the application of methods to obtain and

manage important information data (general documents, geological, geographic, meteorological, oceanographic) and the application of handling and processing techniques (graphication, map, GIS – geographic information systems, statistic classification and tendencies) that are obtained through mathematical methods applied to the earth sciences, with the help of available programs.

With these massive management methods, data from oceanographic missions developed in South West Atlantic were processed with emphasis on the bathymetric information using more than 380,000 registers. The analysis of this information allows a detailed visualization of zones of interest, as well as its bi (2D) and three-dimensional (3D) representation from distinct points of observation, processed repeatedly until adequate representation is found. This device was used to delineate morphologic features from South Brazil, Uruguay and Argentina Continental Margin, including Malvinas Plateau and deep basins, allowing the identification of the shelf break, continental slope and rise in statistic form to establish the real limits and not just the bathymetric ones.

Successive bathymetric sections normal to the Continental margin are selected and built automatically by the computer and can be projected through a common trait, to estimate virtually the 2D and 3D views topographic changes.

These methods to optimize the information have obtained an adequate mapping and detect areas of interest, continental margin limits, canyons, basement and sedimentary thickness.

Palabras llave: información, mapeo, Atlántico Sudoccidental.

Manejo y Procesamiento de Información Oceanográfica

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INTRODUCCIÓN Un Sistema de Información Geográfica

es una aplicación computacional en la cual pueden agrupar y analizar datos de distintas fuentes y formatos en conjunto. Esto permite observar con facilidad y rapidez las posibles relaciones espacio-temporales que pueden existir entre variables muy distintas, entre las que se puede mencionar como ejemplo, la temperatura superficial del agua a partir de datos de satélite, la topografía del fondo a partir de datos batimétricos obtenidos por embarcaciones, la ubicación de aves y mamíferos y sus correspondientes patrones migratorios, las direcciones y velocidades de corrientes, etc.

La construcción de un Sistema de Información Geográfica - GIS por sus siglas en inglés (Geographic Information Systems) es simple en su concepto, aunque no tan simple en su implementación. La misma implica la relación explícita entre tres elementos separados: un nombre de capa, un archivo de atributos y un archivo objeto. Esta estructura Nombre+Objeto+Atributo es una capa GIS.

El nombre de capa lleva asociada una lista de dos, y sólo dos, archivos de datos, archivo objeto y archivo atributo. Un archivo de atributos es una lista o tabla estructurada en forma de filas-columnas de manera tal de contener textos y valores numéricos (atributos) que se usan para describir un objeto gráfico; se la denomina también base de datos. Un archivo objeto contiene información gráfica, la que puede estar en forma de mapa de bits (ya mencionada previamente, ver Resguardo de la Información) o como mapa vectorial.

La integración de una o más capas conforma una “estructura GIS”, la cual podemos considerar como una lista de relaciones entre archivos, es decir una serie de señaladores o “pointers” que marcan posiciones de archivos digitales almacenados en algún dispositivo adecuado (discos rígidos, ópticos, CDROM, etc.), que se guardan como un proyecto o archivo madre.

La “estructura GIS” puede modificarse agregando o borrando capas sin modificar los archivos objeto y atributo que relacionan, ya que sólo se modifica la lista de relaciones entre ellos. Por lo tanto, el proceso de agregar y sacar

información de la estructura puede hacerse con facilidad, velocidad y sin modificar los archivos fuente. Además, una estructura con capas que estén utilizando ciertos archivos no limita el uso de los mismos por otras estructuras.

Los componentes de las capas que formarán una estructura GIS deben cumplir con ciertas reglas:

Los mapas de bits deben tener una resolución (plano XY), una profundidad (color) y una georeferencia común, además de compartir la georeferencia con los mapas vectoriales. La georeferencia mencionada está asociada a un sistema de coordenadas terrestres en común;

Los mapas vectoriales deben tener la misma georeferencia que cualquier otro mapa vectorial o de bits que se quiera incluir en la estructura;

Los objetos que forman un mapa vectorial deberían ser del mismo tipo. Si bien éste no es un impedimento que no permita seguir el proceso, no es una buena práctica mezclar poligonales cerradas (superficies) con líneas o puntos, ya que dificultan los análisis posteriores.

TIPOS DE ARCHIVOS ASOCIADOS

Imágenes

Lo que normalmente se entiende por “Imagen” es una fotografía o una ilustración. Desde el punto de vista computacional, una imagen es una colección de valores ordenados por fila y columna. Cada celda o elemento, ubicada por sus coordenadas “fila - columna”, se denomina “píxel” (ver Resguardo de Información), como abreviación del Inglés “Picture Element”. El conjunto de los píxeles en una línea forman lo denominado “línea de scan” o “raster”, de manera tal que cuando se habla de rasters, automáticamente debe asociarse a archivos de imágenes. Puede notarse que los píxeles están ubicados en un sistema de coordenadas plano cartesiano, al cual puede denominarse “sistema de coordenadas del archivo”.

Los píxeles o elementos, al contrario que los puntos, tienen dimensión en el plano, es decir ancho y alto. Cuando en sensoramiento remoto (fotografía satelital) se habla de “Datos TM de 25 metros” o de “Datos SPOT de 10

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metros”, se hace referencial al tamaño del píxel que forma esa imagen. Cuando se habla de un tratamiento multibanda de una foto satelital, lo que significa es que la imagen obtenida por el satélite no es única, sino que fue formada por cinco canales (o bandas) distintos, por lo cual se obtienen cinco imágenes distintas con el mismo sistema de coordenadas de archivo en un solo archivo de imágenes. Lo que se almacena en un píxel es un valor numérico que en la literatura del tema se conoce como “valor digital”, “número digital” o “valor de brillo”. Este valor depende de la “profundidad de color” de la imagen; si la profundidad es 2, los valores posibles son 0 (blanco) y 1 (negro); si la profundidad es 256 (imágenes de 8 bits), serán 0 para el blanco y 255 para el negro, pasando por toda la escala intermedia; de la misma manera hay imágenes de 16, 24 y 32 bits, las que aumentan la profundidad de color, aumentando así la capacidad del sistema en discernir entre dos colores distintos y el tamaño de los archivos en los que se las almacena. Como para tener idea del tamaño de los archivos y el área cubierta, una imagen de 8 bits con una sola banda compuesta por 1000 líneas y 1000 columnas, es decir un millón de píxeles, ocupará casi un megabyte de espacio de almacenamiento, cubriendo un área de 100000 hectáreas si el tamaño de píxel es de 1000 metros.

Vectores

Son gráficos formados a partir de puntos, líneas y polígonos. En la literatura se los menciona como gráficos vectoriales o “vector data”. Mientras que un raster lleva implícita la idea de dimensión o superficie, los vectoriales son adimensionales.

El elemento básico de un vector es un vértice, es decir un par de valores ordenados que expresan una posición, pero que no tiene extensión espacial. Un vértice solo es un punto. Dos vértices que no estén en la misma posición forman una línea simple. Un conjunto de vértices en el cual el primer y el último no están en la misma posición forman una línea completa. Si el primer y el último vértice coinciden, la secuencia forma un polígono cerrado.

Ejemplo de este tipo de mapas son: Los mapas de contornos generados a

partir de un conjunto de datos utilizando algún método de grillado y contorneo ya mencionados;

Los mapas de ubicación de objetos (estaciones oceanográficas, pozos petroleros, mamíferos, etc.) producto de procesos previos o digitalizaciones “ad hoc”;

Líneas y trazos (generados por algún programa de dibujo) sobre fotografías o contorneos previos (para ubicar un frente marino o una falla geológica).

Al igual que las imágenes, los archivos con vectores tienen su propio sistema de coordenadas o coordenadas de archivo.

Atributos

Los puntos, líneas, polígonos y los conjuntos de píxeles representan sólo la información geométrica-geográfica (ubicación absoluta y relativa, forma y distribución) de los objetos mapeados. La calidad y claridad de la presentación aumenta notoriamente si a los objetos se les pueden asociar descripciones y comentarios. Éstos se almacenan en un archivo de atributos, y están asociados al objeto mediante un número de registro o código de asociación. Si los archivos de atributos se salvan en ASCII o en algún formato standard de bases de datos, entonces podrán ser procesados por separado. Esto permite utilizar una muy amplia gama de programas y aplicaciones, comerciales o “ad hoc”, incluidas Estadísticas Avanzadas, Análisis de Fourier, Graficadores, etc.

Georeferencia

Si bien las imágenes y los vectores son de gran utilidad en si mismos, lo son más si se pueden georeferenciar, es decir si se pueden transformar las “coordenadas de archivo” a un sistema de “coordenadas de mapa”, que representan las coordenadas reales de la Tierra en algún sistema de proyección plana. Es usual estar acostumbrado a ver las ubicaciones en los mapas expresadas Latitud y Longitud, pero estos puntos de referencia son la representación de un sistema de coordenadas esférica (elipsoidal en realidad) y son calculadas a partir de un sistema de proyección Norte-Este. En realidad, en todo mapa plano se utilizan “coordenadas de mapa”,


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que resultan de transformar las coordenadas geográficas (elipsoidales) a un sistema cartesiano plano y en el cual las referencias de latitud y longitud también son objetos que deben ser representados (ocupando su correspondiente capa). Para poner un ejemplo, el punto que representa 63º de longitud Sur, 48º de longitud Oeste en coordenadas geográficas puede tener un par de coordenadas de mapa como –45215, 128774, dependiendo de la proyección y del punto de tangencia con el elipsoide terrestre elegidos; este par puede ser la distancia en metros o pies a un punto que se define como base de tangencia y a partir del cual se construye el resto del mapa.

Entonces, toda imagen o vector que quiera representarse deberá ser transformado de su geometría y sistema de coordenadas inicial (de archivo) a uno que sea consistente con un sistema de proyección de mapa. El proceso típico de georeferenciación de una imagen es tedioso y matemáticamente complicado, y las computadoras se encargan de él, pero se lo puede resumir de la siguiente manera:

Las posiciones de la imagen son relacionadas con puntos de ubicación conocidos en la Tierra. Estas relaciones entre las geometrías de archivo y terrestre son las bases de un análisis de regresión a través del cual se predice la posición terrestre de cada píxel, con una cierta margen de error. El sistema es iterativo, de manera tal que para mejorar el margen de error en cada intento o pasada, expresado generalmente como un error cuadrático medio;

Los límites del espacio del mapa se usan para definir los límites de un nuevo archivo imagen como resultado de la transformación, siendo generado un archivo con el formato característico de fila-columna con la densidad, tamaño de píxel y posición geográfica adecuados. Cada píxel del archivo original (sin referenciar) es recalculado y ubicado en la posición que le corresponde en el nuevo archivo (de mapa);

El resultado es una nueva imagen que se comporta como un mapa en el contexto digital en el que ahora se encuentra. De más está decir que este proceso es de una importancia crítica en la construcción de una estructura GIS que integre imágenes y vectores.

EJEMPLOS

Como ejemplo práctico de la obtención y procesamiento de información, se presentan datos batimétricos del Atlántico Sudoccidental, a los que se les agregararon datos digitalizados para obtener la línea de costa y un cero para el grillado.

La información original fue consultada en los archivos del Centro de Oceanografía de Buenos-Aires – COBA/ITBA, obtida en el Oceanographic Data Center (Washington DC). La misma es el resultado de la colección de datos de diversas campañas oceanográficas realizadas por Lamont Doherty Geological Observatory (R. V. Vema y Conrad), el Woods Hole Oceanographic Institute, ambos en EEUU, el Servicio de Hidrografía Naval Argentino (ARA Zapiola, C. Cánepa y Zanovirón) y de la Directoria de Hidrografía e Navegación, Centro de Estudos de Geologia Costeira e Oceânica de Brasil, y no es clasificada. Preprocesamiento

Los datos batimétricos estaban organizados en archivos en código binario con un formato no standard, luego fue necesario una rutina “ad hoc” que leyera y escribiera los mismos en código ASCII (American Standard Code for Information Interchange), standard para cualquier computadora, y, por ello, de lectura inmediata sin necesidad de software especial. Luego se importaron los datos a un formato standard de gestores de bases de datos (dBase compatibles) para su ordenamiento y manipulación. Como los datos de navegación (fecha, hora y ubicación) de cada crucero estaban en archivos separados de los datos de batimetría, fue necesario (luego de su conversión) interrelacionar los mismos con el objetivo de obtener un solo archivo de batimetría que incluyera la ubicación y la profundidad en un solo archivo, no incluyéndose en éste el resto de la información (fecha, hora, distancia navegada, códigos de estación, etc.) debido a la limitación de espacio en los discos de almacenamiento en ese momento.

Por ello, se agregó al archivo una codificación de crucero, a fin de mantener el enlace con los datos originales y con la información completa del mismo. Luego se compatibilizaron las unidades de medida (grados


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en formato decimal para latitud y longitud, positivos para Norte y Este, y valores positivos en metros para las profundidades). El paso siguiente fue crear una única base de datos que contuviera toda la información batimétrica disponible, en un formato claro y de fácil lectura, con el objetivo de facilitar el acceso a la misma y su posterior procesamiento (a costa de ocupar más espacio); la misma tiene cerca de 900.000 registros. MANEJO DE LA BASE DE DATOS Primer paso

Una vez organizada la información, se la filtra en latitud y longitud el sector en el que se desea trabajar, lo que se realiza con una sola instrucción del programa de gestión de bases de datos y una espera de unos pocos segundos, creándose un archivo separado (este es conveniente para resguardar la información original y acelerar los tiempos de acceso). En este caso, se eligieron los datos entre 20° y 70° de latitud Sur (-20.0000° y –70.0000° en el formato utilizado) y entre 20° y 70° de longitud Oeste. El archivo resultante tiene unos 340.000 registros, por lo que se lo filtra para tener menos datos con mayor separación (medio grado en este caso) y obtener una grilla de 101 filas por 101 columnas, utilizándose Kriging como algoritmo de interpolación. El mapeo de la misma se observa en la Figura 1 en la cual se señala con un rectángulo la zona que se quiere analizar con más detalle (litoral marítimo frente a la Provincia de Buenos Aires, con el objeto de ver la disposición de los cañones submarinos del Margen Continental frente a la zona de la desembocadura del Rio de La Plata). Segundo paso

Luego se obtiene un archivo de profundidades más reducido, filtrando la base anterior con las coordenadas del rectángulo señalado. En la Figura 2 (Área del Rio de La Plata (General), se presentan la ubicación de los mismos, la línea de costa y el mapeo del grillado de aquellos, utilizando parámetros similares a los de la grilla anterior. Las curvas isobáticas están en metros, separadas cada 10 metros hasta los 100 de profundidad, de allí cada 50 hasta los 200 y cada 500 metros de los 500 en adelante.

Esta separación tiene el objetivo de poder observar los detalles de batimetría en las aguas someras sin cargar de líneas de contorno las áreas con mayor pendiente. El rectángulo señala la zona que se quiere observar con más detalle, pero dentro de la circunferencia se observa una anomalía en la pendiente del talud, por lo que se la analiza primero, para descartar algún posible dato erróneo.

La Figura 3 (Representación Tridimensional del Área del Rio de La Plata (General) muestra tridimensionalmente el área de interés y el comportamiento de la anomalía, una depresión mayor que la pendiente regional en el eje de un cañon submarino, dentro del círculo. Esto podría deberse a un error de lectura en el dato original, un corrimiento de valores, o algún dato que altera la configuración de la grilla.

En el mapa de la izquierda de la Figura 4 (Vista Parcial (ZOOM) de la Grilla Rio de La Plata (General), se presenta un acercamiento o zoom del área de la anomalía, una depresión cerrada dentro de la isóbata de 2.400 m, señalando los puntos con dato de batimetría que se utilizaron para construir la grilla (cobertura de la información). La elipse señala una posible falta de datos en una zona de gran cambio de pendiente, lo que generaría la depresión "ficticia" en el algoritmo de grillado. Para la figura de la derecha, se filtró la base de datos para ver la cobertura total de la información en esta zona, y se calculó una nueva grilla utilizando sólo estos datos. Se observa que la anomalía permanece, confirmándose que la falta de información, aunada a una grilla excesivamente cerrada (exceso de nodos de grilla), genera un contorno ficticio con forma de depresión en un área con escaso control de datos.

Se corrige el problema recalculando la grilla original (Figura 5, mapa superior) aplicando una reducción de nodos y un suavizamiento matricial, obteniéndose una topografía de fondo más suave en la que la anomalía desaparece, mostrando una conformación más razonable en un área de cañones submarinos. A partir de ello, se utiliza esta nueva grilla (Grilla Final) para representar la batimetría en el área de interés.

La Figura 6 muestra la topografía en perspectiva y su representación tridimensional, en la cual se marcan las secciones Sudoeste-


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Noroeste, que realzan la visualización de las pendientes asociadas a los cañones submarinos en la dirección perpendicular a los ejes de los mismos. La Figura 7 muestra lo mismo para las secciones Noroeste-Sudeste, paralelas a los ejes mencionados (con otro ángulo de visión e inclinación y una exageración vertical menor), en los que se resaltan los cambios de pendiente desde la plataforma continental hasta la zona abisal.

Las figuras 8 y 9 son ejemplos de aplicación de Sistemas de Información Geográfica (GIS) en los cuales se han compilado datos de diversas fuentes y con formatos muy disímiles. Ambas son zonas del Atlántico Sudoccidental.

BIBLIOGRAFIA URIEN, C. M.; CAZENAVE, P. B. y

MARTINS, L. R. Morfología del Margen Continental del Océano Atlántico Sudoccidental. Encontro de Geologia do Cone Sul. Boletim de Resumos 302-304. Porto Alegre. Brasil. 1995.


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Figura 1


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Figura 9

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