1. La detección temprana de las escalas espaciales y temporales en las que se producen cambios ecológicos es esencial para el diseño de estrategias de gestión, para supervisar los cambios y minimizar los efectos indeseables.
2. Los fenómenos ecológicos ocurren en una amplia gama de escalas y a menudo hay vínculos jerárquicos entre ellos. La información relativa a través de las escalas así como los niveles de organización biológica son una parte esencial de la comprensión ecológica.
3. Facilitan el diseño de muestreos que permiten medir cambios en los patrones a través de escalas espaciales y temporales.
4. El escaldo es inevitable en la investigación, y en la práctica, las predicciones deben hacerse a una escala que es diferente de aquella en la que se adquieren los datos. Las escalas de las técnicas de detección condicionan la gestión del proceso observado. Por ejemplo: los sistemas de gestión diseñados para imitar las perturbaciones naturales no puede capturar la variación natural en la frecuencia, intensidad y magnitud en las que ocurren.
5. La prueba crucial para la comprensión de los sistemas complejos es nuestra capacidad de hacer predicciones fiables. La comparación sistemática de las predicciones del modelo con los resultados empíricos puede efectuarse por métodos de detección a gran escala.
1. Los patrones espaciales de comportamiento son diferentes en cada escala (Turner et al., 1989; Meentenmeyer, 1989).
2. Los cambios producidos en los patrones espaciales son diferentes a distintas escalas temporales; las escalas espaciales y temporales se encuentran relacionadas (OÕNeill et al., 1986; OÕNeill, 1988).
3. Los procesos que regulan los cambios de los patrones espaciales son diferentes a diferentes escalas: ningún mecanismo es capaz de explicar por sí mismo los patrones observados y sus cambios en todas las escalas (Levin, 1992).
4. Se necesitan distintas variables para describir procesos similares según las escalas de trabajo (Jarvis & McNaughton, 1986).
5. La resiliencia ecológica emerge de la interacción organizada de diferentes procesos que ocurren en escalas diversas.
6. Las escalas ecológicas en las cuales operan las especies, a menudo se corresponden con la masa corporal media, lo que hace que este índice sea una variable de interés para aproximarse a cómo perciben la escala los animales y cuál es su influencia. Diferentes especies operan en diferentes escalas espacio – temporales, como demuestran las relaciones encontradas entre el tamaño corporal y el comportamiento ecológico.
7. El desplazamiento entre escalas es difícil porque la interacción entre ellas provoca estructuras jerárquicas autoorganizadas y dinámicas. .
Capítulo 9
Escalado
Ampliación de la escala
Upscaling
La mayor limitación de este método se produce cuando el proceso dominante cambia con la escala (Beven, 1991). Un conocido ejemplo en el que esta aproximación de ampliación de la escala puede ser engañosa es la ley de Darcy, cuando el flujo en los macroporos se convierte en importante al incrementar el grano (White, 1988).
Un proceso que es relevante en una escala puede no ser necesariamente importante en escalas más grandes o más pequeñas. (Blosch y Sivapalan, 1995). Algunos ejemplos de procesos que son importantes en escalas grandes y dejan de ser visibles en escalas pequeñas lo constituyen la mayoría de las propiedades del suelo ya que la heterogeneidad se va promediando a medida que se efectúa la agregación desde el nivel de parcela hasta el de cuenca. De manera opuesta, en escalas pequeñas pueden aparecer procesos nuevos no visibles en escalas pequeñas, como sería el caso de las rutas preferenciales de flujo.
Upscaling
Ampliación de la escala
En dos fases
En una fase
I- La primera fase se basa en el remuestreado
Las técnicas de agregación aglutinan la ampliación de la escala (upscaling) en una sola fase. La más simple es el método de construcción de los polígonos de Voronoi-Thiessen.
Este proceso SIG traslada información de resoluciones de grano fino a grano grueso y recibe el nombre de distribución. Consiste en la elaboración de una ley o patrón de tipo determinista o probabilista, que extiende el valor de interés W de las tuplas <x,y,z> mediante una función del tipo W(x,y,z). Un ejemplo aplicado a datos temporales es la obtención de una ley de frecuencias. Estas ecuaciones del tipo w(Eo) reciben el nombre de ecuaciones de microescala.
II- La segunda fase consiste en una generalización cartográfica
Consiste en una generalización cartográfica que resume o agrega la información disponible en la nube de puntos, en un valor medio. Esta agregación debe responder a dos cuestiones: ¿pueden las ecuaciones de la microescala, reflejar el proceso en la macroescala? y dados los datos, patrón y distribución de la microescala, ¿cuál es la regla de agregación necesaria para obtener los datos en la macro-escala?. Los datos del nivel de macroescala obtenidos mediante las reglas de agregación reciben el adjetivo de efectivos. Las ecuaciones del tipo W(E) reciben el nombre de ecuaciones de macroescala
Topología del espacio escalar
Análisis multiescalar
Principios del análisis multiescalar
Escalado basado en modelos dinámicos
Hay et al. (2002) proponen una manera de visualizar el espacio multiescalar basada en cómo los objetos evolucionan y se transforman dentro del espacio escalar. Este esquema conceptual tiene una clara similitud con la aproximación orientada a objetos (modelos lógicos).
Utilidad del análisis multiescalar
Según Sivapalan (2005), en hidrología, el desarrollo de signaturas y sistemas de clasificación son prerrequisitos para elaborar inferencias entre escalas.
Los procesos hidrológicos que se describen a través de una función normal se pueden escalar mediante longitud, tiempo y velocidad característica.
Resulta útil en la visualización de un proceso, evento u objeto a lo largo de un gradiente de escalas
Signatura de variabilidad
Sistemas de clasificación
Como técnica tiene distintos campos de aplicación:
Son variables predictivas de procesos hidrológicos tales como el caudal o el tiempo de concentración que tienen un significado físico
Un riguroso sistema de clasificación agrupa la gran variabilidad que existe en el espacio y en el tiempo, de procesos presentes en los sistemas hidrológicos naturales en todo el mundo (McDonnell y Woods, 2004) y permite una cierta armonía en la cacofonía que está presente en la hidrología (Sivapalan et al., 2003).
Variabilidad
La utilidad de un sistema de clasificación es múltiple. McDonnell y Woods (2004) enumeran las ventajas de disponer de un sistema de clasificación de cuencas:
Análisis del sesgo en el remuestreado
Generalmente son de naturaleza climatológica (precipitación, evapotranspiración, etc.) o se refieren a una propiedad de las entidades (forma, configuración, tiempos…) aunque pueden representar a otros elementos como el suelo, la geología, la topografía o la vegetación. Son predictores de primer orden, indicadores que permiten conocer el comportamiento de una entidad.
La signatura de variabilidad tiene gran aplicación en la elaboración de clasificaciones y en el escaldado de la información.
El efecto del sesgo tiene distinto comportamiento sobre cada componente de la escala
- valores aparentes detectados en los datos
- los valores reales
• Proporcionar un principio de organización importante en sí mismo, complementando el concepto del ciclo hidrológico y el principio de conservación de la masa.
• Ayudar con los modelos y enfoques experimentales a la hidrología, proporcionando orientación sobre las similitudes y diferencias entre cuencas de captación.
• Mejorar la comunicación, proporcionando un lenguaje común para los debates.
• Permitir la comprobación de hipótesis acerca de la similitud hidrológica de sistemas de todo el mundo, así como mejorar el diseño de experimentación y las redes de vigilancia, centrándose en la medición de los parámetros de control importantes.
• Ofrecer una mejor orientación para la elección de modelos adecuados para sistemas hidrológicos pobremente comprendidos.
• Constituir un avance importante hacia la orientación para la aplicación de diversos métodos de simulación predictivos en cuencas sin calibrar.
• Proporcionar las limitaciones y los parámetros de diagnóstico que pueden ser utilizados en los modelos de evaluación y diagnóstico en cuencas sin calibrar.
• Facilitar, en primer orden, ideas sobre el impacto potencial de uso de la tierra y los cambios climáticos en la respuesta hidrológica en la escala cuenca, en diferentes partes del mundo.
Se pueden introducir sesgos o errores sistemáticos en los datos especiales en tres casos:
- Cuando la escala de medición del muestreo no se corresponde con la escala del proceso.
- Cuando se realizan operaciones de escalado sobre los datos.
- Cuando nos alejamos de situaciones ideales de muestreo, que se definen como aquellas con extensiones amplias de inventario con soportes y espaciamientos pequeños.
En los tres casos el sesgo es función del cociente entre la escala medida u observada y la escala del proceso. Esos sesgos a su vez influyen sobre dos variables: en la longitud característica de la escala y en su variabilidad.
Con carácter general, si el soporte de la escala de medición es mayor que el de la escala del proceso (extensión > 1,2 la longitud verdadera) la varianza aparente será menor que la real. Este hecho se produce porque la agregación elimina variabilidad.
Si la extensión de la escala de medición es pequeña en comparación con la escala del proceso (<5 la longitud verdadera) la varianza aparente será más pequeña que la real, y las varianzas a escalas amplias no serán detectadas.
El espaciamiento no tiene efecto sobre la varianza aparente pero influye en la longitud característica.
Sistemas de clasificación
Longitud característica
Técnicas de escalado
Upscaling
Escalas de medición amplias comparadas con las del proceso, conducen a longitudes de correlación espacial mayores que las verdaderas.
Si se incrementa el espaciamiento y el soporte o se disminuye la extensión, la longitud aparente observada en los datos es mayor que la que realmente existe. El efecto del sesgo empieza a ser cuantitativamente visible cuando el incremento del espaciamiento es superior a 2 veces la longitud característica verdadera, cuando la extensión es inferior a 5 veces la longitud verdadera o cuando el soporte es superior a 1,2 veces la longitud verdadera.
El efecto de la extensión sobre la longitud característica es el más importante de los tres componentes de la escala.
La hidrología aún no posee un acuerdo general sobre la clasificación de las cuencas . Dicho marco debe proporcionar un mapa que en función de la forma y las condiciones hidro-climáticas, permita clasificar las funciones de las cuencas, incluidos los procesos de partición, almacenamiento y liberación de agua (Wagener et al., 2007). Los sistemas de clasificación deben responder a dos necesidades básicas: representar la variabilidad entre escalas y medir la incertidumbre de la clasificación.
Efectos combinados
El gráfico sugiere que el conocimiento del régimen climático ofrece unos límites sobre la escorrentía que puede esperarse. Estos mapas conllevan una simplificación que acarrea una incertidumbre sobre la asignación de un elemento a una clase. Esta incertidumbre puede medirse y acotar cada sistema de clasificación en términos probabilísticos o de funciones de pertenencia.
Aunque en realidad se puedan considerar aptos diferentes tipos de escalas para el mismo fenómeno, lo que supone un verdadero "problema de escala" es la falta de coincidencia o la posible discordancia que exista entre ellas. Para rectificar los posibles desajustes de la escala o para relacionar un tipo de escala con otra que emplee unas magnitudes características distintas, es necesario acudir a técnicas de transferencia de datos entre escalas (Bierkens et al., 2000).
Escalado es el proceso por el cual se transfiere información de una escala a otra. En función del sentido de las transformaciones se definen dos procesos diferentes:
Downscaling
Upscaling
Dirección del escalado
Reducción de la escala
Ampliación de la escala
Consiste en descomponer la información, en derivarla de escalas pequeñas a escalas grandes
Obtener información de escalas grandes e integrarla para transferirla a escalas pequeñas
Los modelos hidrológicos que optan por este enfoque reciben el nombre de modelos descendentes, de arriba-abajo
Se basan en predecir el comportamiento o funcionamiento de la cuenca mediante una interpretación de la respuesta observada en el nivel de cuenca
Los modelos hidrológicos que siguen esta línea de trabajo han sido etiquetados como modelos ascendentes,
Reducción de la escala
En el contexto de espacio absoluto el escalado implica un cambio en la estructura geométrica de los datos y en sus atributos. Se realiza generalmente mediante el remuestreado y la generalización o singularización cartográfica
de abajo-arriba, reduccionistas o mecanicistas
Downscaling
Proceso de reducción que se suele llevar a cabo en una sola fase
Objetivo:
Desagregación de la información disponible, es decir, dado el valor medio en un cierto dominio, se trata de obtener información detallada del patrón dentro de ese dominio
Una vez desagregada la información ésta se singulariza para obtener el valor de la microescala.
Ejemplos: desagregación temporal de la precipitación mensual a diaria, o de diaria a horaria.
Silvapalan et al. (2003) resumen las características mas destacadas de la aproximación de arriba-abajo (donward). Los componentes individuales del modelo son seleccionados o descartados en función del análisis de los datos de respuesta de la cuenca en un sitio concreto. Posteriormente estos componentes individuales son combinados y finalmente se aplica un modelo, generalmente justificado por los datos. La mayor diferencia con la aproximación upward es que la estructura del modelo se infiere de los datos en vez de ser preconcebida.
Las principales conclusiones obtenidas del citado estudio fueron:
- Utilizar el downscaling alométrico sólo con datos clasificados por píxel; si se utilizan clasificaciones basadas en objetos hay que utilizar resoluciones por encima de la mínima unidad cartografiada.
- Emplear sólo una estrecha gama de resoluciones espaciales. Generalmente hay que utilizar la más cercana a la resolución subpixel.
- Sólo escalar algunos indicadores (tamaño medio de la tesela, el índice de la forma del paisaje, la longitud de borde o el número de teselas).
- Limitar los factores de reducción de escala hasta 5 ó de lo contrario pueden obtenerse malos resultados si se aplican las funciones de downscaling.
- Cuando ajuste de una función de escalado no confíe en un R2 elevado como un indicador del buen rendimiento del downscaling a menos que sea muy alto, (R2 > 0,99).
- La ampliación de la escala (upscaling) mediante funciones alométricas puede ser una técnica poco adecuada para obtener las métricas en el nivel de paisaje.
Las operaciones de reducción de escala (downscaling) mediante las funciones de escalado no requieren ninguna información previa sobre las características del patrón en el nivel de subpíxel, lo que hace que sea un procedimiento muy atractivo. Sin embargo los resultados obtenidos por el estudio hacen que este procedimiento debe tomarse con cautela.
La generalización-singularización cartográfica, es un proceso de extracción o rellenado de información sobre el fenómeno geográfico para su representación en un capa. Existen múltiples algoritmos automatizados que realizan esta tarea.
Downscaling
Reducción de la escala
Algunas de las notas más destacadas de esta aproximación son:
Para conocer la bondad del ajuste, los autores utilizan el siguiente indicador:
Estimación de las métricas a través de las funciones de escalado
Estimación de los coeficientes de escalado mediante ajuste de la función de escalado
El remuestreado cambia el denominador de los datos, la extensión espacial a la que se refiere el fenómeno y el valor de las coordenadas. Se utiliza para comparar bases de datos elaboradas en escalas distintas, o bien, para convertir las bases de datos geográficas a un denominador común.
- El método es susceptible de aprendizaje sistemático y comprobación de hipótesis y puede aplicarse de forma iterativa y jerárquica descendiendo progresivamente de nivel.
- Se enfatiza el todo, no la partes que lo constituyen (Heylighen y Joslyn, 1995).
- Se reconoce que las propiedades de los procesos individuales no son propiedades intrínsecas de todo el sistema.
- Se centra en el estudio en las interacciones, retroalimentaciones y relaciones funcionales entre las partes del sistema, prestando mayor atención a las redes o patrones y uniones, que a los componentes individuales.
Saura y Castro (2007) exploran la utilidad de las relaciones de escalado alométricas en las operaciones de downscaling de índices de ecología del paisaje. El método desarrollado por los autores se resume en el siguiente gráfico:
Escalado basado en la similitud
Escalado alométrico y downscaling
En el marco de la relatividad espacial, el escalado es más complejo. No es un proceso lineal ya que trasciende los procesos de enlace en los diferentes niveles de espacio. Un cambio de escala implica la necesidad de identificar los principales factores operativos o procesos dominantes en una escala determinada de observación, su congruencia con los de las escalas inferiores y superiores, así como las limitaciones y reacciones en los factores (Caldwell et al., 1993).
Lo que hace de la escala un desafío real es la no-linealidad entre los procesos y variables así como la heterogeneidad en las características que determina los tipos de procesos. Escalar un proceso hidrológico requiere comprender no solo la organización jerárquica, sino también conocer la forma en la cual esta jerarquía se relaciona y reorganiza con las escalas específicas de observación, donde las transiciones a través de escalas se basan en normas geográficas significativas y diferenciadas.
Klemes (1983) afirma que el error más común cuando se trata de estudiar procesos naturales dentro de un rango de escalas, es que se tiende a considerarlas como una simple disminución o aumento del tamaño de los objetos sin tener en cuenta que en la naturaleza, la escala no es arbitraria sino que es el producto de una serie de interrelaciones entre fuerzas actuantes y parámetros que determinan el proceso.
- geométrica (se mantiene proporcional la forma)
- física (se mantiene proporcional el cociente de fuerzas)
- cinemática (se mantiene proporcional las velocidades)
- hidrodinámica (se mantiene proporcional el numero de Reynolds)
- funcional (se mantiene proporcional alguna variable funcional)
La similitud predice las condiciones de un sistema a partir de las observaciones realizadas en otro.
Dos sistemas son similares cuando comparten propiedades que pueden ser relacionadas por un factor de conversión.
Estudio de cómo la estructura entre escalas relaciona el comportamiento de un sistema a través de una ley de potencia. Esta noción de escalado ha sido a menudo relacionada con los conceptos de similitud, fractales o invarianza de una entidad
Ampliación de la escala
Coberturas de tiempos de viaje e isocronas obtenidas tras aplicar cada una de las superficies de fricción estudiadas. Cuenca de Valdelamasa
Upscaling
Analizar cómo se realiza el escalado cuando no existe dependencia de los fenómenos, eventos o entidades con la escala.
-Proceso más habitual utilizado en los modelos distribuidos en hidrología-
Escalado basado en la similitud
Parte del dato puntual de un conjunto de estaciones meteorológicas (o de puntos de muestreo) y se extiende este valor a la tesela
El método de ampliación de la escala (upscaling) utiliza el enfoque o aproximación de abajo-arriba (upward) que combina por síntesis matemática, los hechos empíricos y los conocimientos teóricos disponibles en un nivel inferior de la escala en las teorías capaces de predecir los procesos en un nivel superior.
http://hispagua.cedex.es/documentacion/revistas//Ingcivil/2000/117/articulo2/modelizacion.html
Sig
INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DE DATOS ESPACIALES EN LA HIDROLOGÍA
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