RECURSOS TECNOLGICOS PARA EL MONITOREOECOLGICO

OSCAR ALEXANDER ARIZA VELASCO

Monografa presentada como requisito parcial para obtener el ttulo de

INGENIERO

INGENIERA MECATRNICA

Director:OSCAR DUARTE, PH. D.

Profesor Titular

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERA

BOGOT D. C.2011

RESUMEN

RECURSOS TECNOLGICOS PARA EL MONITOREO ECOLGICO

por

OSCAR ALEXANDER ARIZA VELASCOIngeniero en Ingeniera Mecatrnica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

Director: Oscar Duarte, Ph. D.

El estudio y la comprensin del mundo como un Todo es imprescindible en una poca en laque se sienten con gran impacto las consecuencias de un desarrollo sin control. La base paraanalizar y actuar adecuadamente sobre esta problemtica es la informacin que se puede obtenery el valor que se le adicione para ejecutar acciones efectivas que lleven a la sustentabilidad. Elmonitoreo ecolgico (ME) se perfila como una de las tareas relevantes, ya que involucra el estudiode los sistemas vivos y no vivos con una mirada sistmica, haciendo que el enfoque analtico seams cercano a la realidad entre las relaciones de los componentes del planeta.

En base a una bsqueda de proyectos de ME en publicaciones fsicas y virtuales (en su mayorade los ltimos 10 aos), se agrupan las tecnologas usadas en dos categoras principales: tecnologasin-situ y de percepcin remota, presentando su aplicacin en las diferentes actividades del ME: mo-nitoreo de factores ambientales; rastreo, censo, distribucin y caractersticas de seres vivos; mapeode ecosistemas; medidas integrales de ecosistema; y, manejo y toma de decisiones. Se contextualizael ME en Colombia mediante la descripcin del Sistema Nacional Ambiental (SINA) y el estudiode dos proyectos de alcance nacional, con los que a su vez se verifica la utilidad de la agrupacinpropuesta para la sntesis tecnolgica y de informacin.

RECONOCIMIENTOS

A cada colombiano que con su diario esfuerzo nos permiteel acceso a la mejor educacin superior del pas. . .

A todas las personas con las que he compartido experienciasy me han ayudado a formar como persona. . .

. . .Muchas gracias

iii

Contenido

Contenido iv

Lista de Tablas v

Lista de Figuras v

Introduccin 1

1 Marco conceptual 31.1 Sistemas ecolgicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Monitoreo ecolgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Monitoreo in-situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.4 Percepcin remota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5 Sntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Aplicaciones 132.1 Variables en el monitoreo ecolgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Factores ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3 Rastreo, censo, distribucin y caractersticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.4 Mapeo de ecosistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.5 Medidas integrales de ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6 Manejo y toma de decisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.7 Sntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Panorama en Colombia 233.1 Marco normativo y organizacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2 Proyectos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3 Sntesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4 Conclusiones y discusin 31

iv

Bibliografa 33

Lista de Tablas

1.1 Clasificacin de PR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2 Espectro electromagntico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.3 Clasificacin de PR-AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.4 Fuentes de infrasonido y ultrasonido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1 Variables biolgicas en el monitoreo ecolgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.2 Aplicaciones en factores ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3 Aplicaciones en rastreo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.4 Aplicaciones en censo y distribucin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.5 Aplicaciones en mapeo de ecosistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.6 Indicadores de biodiversidad y servicios del ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.7 Aplicaciones en medidas integrales de ecosistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Nmero de especies por grupo taxonmico de los 5 pases ms biodiversos. Datos hasta2002. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2 Sistemas de informacin del SIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3 Datos para la generacin del mapa de ECCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4 Variables de monitoreo - SIMAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Lista de Figuras

0.1 Interpretaciones grficas de los 3 sistemas en el desarrollo sustentable . . . . . . . . . 2

1.1 Monitoreo in-situ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 Esquema de una red de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Componentes de un sistema de percepcin remota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Formas de percepcin remota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5 Divisin del espectro electromagntico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.6 Curvas espectrales tpicas en espectro ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.7 Sntesis esquemtica. Captulo 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1 Niveles de informacin en el monitoreo ecolgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.2 Factores que controlan la reflectancia en las hojas de la vegetacin . . . . . . . . . . . 18

v

2.3 Sntesis esquemtica. Captulo 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1 Estructura del SIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2 Sistemas de informacin del SIAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.3 Variables en mapa de ECCM de Colombia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.4 Sntesis esquemtica. Captulo 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

vi

Introduccin

El impacto de la humanidad sobre la Tierra es creciente y cada da ms evidente. Tan solo enlas ltimas 6 dcadas la poblacin mundial ha pasado de 2,5 billones de habitantes en 1950 a 6,9billones en 2010 [1], un crecimiento repentino que junto a otros factores interrelacionados comoel rpido desarrollo industrial y el sistema econmico basado en gran produccin y consumo,han generado varios problemas ambientales como la acelerada degradacin de algunos ecosistemasnaturales, cambios bruscos en patrones climticos, especies en peligro de extincin, entre otros.Esta serie de consecuencias han puesto en riesgo no solo la vida de hombres sino la de otras formasde vida con las que la humanidad comparte el planeta.

Aunque esta situacin es realmente preocupante, el avance en conocimiento y tecnologa hapermitido, entre otras cosas, que la informacin que se posee de la Tierra presente una tendenciacreciente en cantidad y calidad, adems que su difusin global es ms rpida y eficiente. Dichainformacin, tanto la disponible como la potencialmente asequible, es la base para tratar de moni-torear, entender y actuar sobre estos impactos. Su anlisis ha generado responsabilidad en variosentes y, a partir de ella, se han llegado a reuniones de alcance mundial en las que se ha discutidola situacin y se han definido acciones para hacer frente a la problemtica.

Bajo este orden de ideas, se ha trazado el reto del desarrollo sustentable basado en el equilibriode los tres grandes sistemas (pilares) que no parecen funcionar de manera benificiosa para lamayora: el sistema ecolgico, el sistema econmico y el sistema social. El desarrollo sustentablefue oficializado desde 1987 en el informe Our common future de la Comisin mundial de ambientey desarrollo de las Naciones Unidas, y qued definido como

el desarrollo que busca asegurar el cumplimiento de la necesidades presentes sin comprometer lacapacidad de futuras generaciones de cumplir sus propias necesidades[2].

Desde esa poca las reuniones a escala global se han hecho ms frecuentes. Cabe nombrarque entre los hitos ms importantes en esta historia del desarrollo sostenible se destacan [4, 5]:1992, Convencin sobre Cambio Climtico (http://unfccc.int/); 1992, Convenio de diversi-dad biolgica (http://www.cbd.int/); 1992, Conferencia de las Naciones Unidas en ambientey desarrollo; 1994, Conferencia en poblacin y desarrollo; 1997, Creacin del Protocolo de Kyoto(http://www.kyotoprotocol.com/); 2000, Metas del desarrollo del milenio (http://www.un.org/milleniumgoals); 2002, Cumbre mundial en desarrollo sostenible (http://www.un.org/events/wssd/); 2005, entra en vigencia el Protocolo de Kyoto. Estas reuniones se han desarrollado prin-cipalmente bajo un marco poltico, para llegar a la implementacin de decisiones a nivel de cadapas, bajo un mbito de responsabilidad global.

Con esta aparente voluntad de cambio a nivel mundial, se han realizado varios estudios desdediferentes enfoques sobre la bsqueda del desarrollo sustentable. El sistema ecolgico, base funda-mental de relacin del ser humano con el entorno, es clave en esta bsqueda y de su comprensindepende que muchos objetivos propuestos en las reuniones globales se puedan cumplir. Es poresto que el monitoreo de los sistemas ecolgicos es una labor fundamental que requiere atencin yesfuerzo, es un punto importante a trabajar e investigar y es y seguir siendo gua para el estudio

1

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Desarrollo sustentable

(a) Pilares

Economa

Ambiente

Sociedad

(b) Concntrico

Economa

AmbienteSociedad

Equid

adViabilidad

Habitabilidad

(c) Crculos interrelacionados

Figura 0.1: Interpretaciones grficas de los 3 sistemas en el desarrollo sustentable

Fuente: [3]

y la implementacin de acciones que lleven a un desarrollo prspero bajo una relacin armnicaentre el hombre y el medio ambiente.

En este trabajo se recopilan y describen de manera organizada las diferentes tecnologas que seaplican en el monitoreo de los sistemas ecolgicos, basado en la bsqueda de libros, publicacionesen revistas cientficas y pginas de Internet que estan vinculadas al tema. Esta descripcin esde carcter general 1 ya que se pretende enfocar la informacin en la clasificacin, los principiosbsicos de uso y ejemplos de aplicacin de estas tecnologas en los ltimos 10 aos.

En el Captulo 1 se exponen los conceptos bsicos de sistemas ecolgicos y sus propiedades, parallegar a una definicin de monitoreo ecolgico, su clasificacin y los principios tecnolgicos bsicospara su aplicacin. En el Captulo 2 se exponen recursos tcnicos y tecnolgicos aplicados (proyectosdesde el ao 2000), mediante una clasificacin basada en el tipo de informacin y actividades que seejecutan en un proyecto de monitoreo ecolgico. Buscando una contextualizacin a nivel nacional,en el captulo 3 se trata el panorama del Sistema Ambiental en Colombia, empezando por el marconormativo y organizacional para la exposicin de proyectos de monitoreo ecolgico y tecnologasusadas durante su ejecucin. Finalmente, se presenta el captulo 4 con las conclusiones y la discusindel trabajo realizado.

1Entindase general como Comn a todos los individuos que constituyen un todo, o a muchos objetos, aunquesean de naturaleza diferente. Definicin Real Academia Espaola.

2

Captulo 1

Marco conceptual

En principio es importante tener claridad sobre la interpretacin de conceptos base como lo sonecologa y ecosistema, por lo que se va a presentar una aproximacin terica. Despus de la intro-duccin de conceptos, se define el monitoreo ecolgico y se exponen los objetivos que se buscancumplir con ste para as llegar a una descripcin de las tecnologas que asisten el proceso.

1.1 Sistemas ecolgicos

Los ecologistas cientficos tienen dos formas de interpretar el concepto de ecologa [6]: la primerade ellas referente a la interaccin entre los organismos y su medio ambiente; y la segunda, en laforma de entender la distribucin y abundancia de estos organismos. Integrando cada perspectivay su importancia, la ecologa se puede adoptar como

el estudio de la distribucin y abundancia de organismos y cmo esta distribucin y abundaciaes determinada por las interacciones de los organismos con su ambiente [6, 7].

Adems de tener claro el concepto de ecologa, es clave la comprensin en la definicin de ecosistemay lo que este concepto implica, ya que su uso es frecuente y da objetividad a los estudios en ecologa.El trmino fue articulado por Tansley en 1935 quien lo defini como una comunidad bitica y suambiente fsico asociado en un sitio determinado, usando la expresin sistema para hacer nfasisen las relaciones entre sus componentes [8]. Los ecosistemas, por la manera en que se plantean ydesde un punto de vista sistmico, presentan las siguientes caractersticas:

Son sistemas abiertos [9, 10]Tienen lmites en los que hay entrada y salida de materia y energa. Por esta razn, todoecosistema debe tener una frontera definida y un entorno que entregue energa con bajaentropa y pueda recibir salidas de energa con alta entropa.

Estan formados por elementos biticos y abiticos [9]Los componentes biticos incluyen a todos los seres vivos en el ecosistema. Los componentesabiticos pueden ser de origen orgnico como el humus y la capa de hojas del suelo, o deorigen inorgnico como minerales, arcillas y agua.

Tienen componentes que interactan [9, 10]En los ecosistemas se presentan redes que indican las interacciones entre los componentesbiticos y abiticos. Los dos subsistemas principales donde se observan estas redes son: elsubsistema primario, cuyas interacciones son generalmente de tipo trfico, en la que fluyen lamateria y la energa; y un subsistema secundario, que regula dichos flujos y cuyas interaccionesforman una red informacional.

3

Las interacciones definen redes trficas e informacionales [9]La red principal o primaria, describe una serie de procesos que, como se mencion, tiene quever con la transferencia de energa y materia dentro y en las fronteras del ecosistema. A travsde la red informacional se establecen los mecanismos de retroalimentacin que regulan estared primaria. sto, a travs de mensajeros fsicos y qumicos como sabores, olores, presiones,entre otros.

Se asocian con una estructura jerrquica [9, 10]Debido a la complejidad de los ecosistemas se ha usado la teora jerrquica para brindarorden y estructura al estudio de estos sistemas. Los procesos ecolgicos ocurren a diversasescalas de espacio y tiempo y estas estructuras jerrquicas permiten establecer las relacionesque son consecuencia de distintos niveles de anlisis.

Son dinmicos 1 [9, 10]Sus componentes e interacciones cambian en el tiempo, gracias a la propiedad inherente decambio en los sistemas vivos y sus relaciones estrechas con el medio que los sustenta. Los cam-bios que producen ests dinmicas en el sistema se conocen como sucesiones ecolgicas. Lasdinmicas terminan por determinar la habilidad del ecosistema de desarrollarse y enfrentardisturbios.

Poseen propiedades emergentes [9, 10]Gracias al efecto sinrgico de organizacin y relaciones, el ecosistema adquiere propiedadesholsticas como un todo que no se manifiestan de manera individual en sus componentes osubsistemas. Estas propiedades son conocidas como propiedades emergentes. Mller y Nielsenofrecen una descripcin ms detallada de estas propiedades en [10, 12].

El verdadero viaje de descubrimiento no consisteen buscar nuevos paisajes sino en tener nuevosojos. Marcel Proust

1.2 Monitoreo ecolgico

DefinicinEl monitoreo es la medicin sistemtica de variables y procesos en el tiempo, cuya recoleccinde datos tiene algn objetivo y se ejecuta de una manera estandarizada [13]. En este caso, lasvariables y procesos son de caracter ecolgico y los objetivos a cumplir, listados a continuacin,se relacionan con la ecologa como estudio (anlisis y caracterizacin) y aplicacin (seguimiento ytoma de decisiones) [14].

Objetivos del monitoreo ecolgico

- Recoleccin y anlisis cuantitativo

* Proveer un conocimiento ecolgico base para la investigacin de procesos en los ecosis-temas [13]

* Evaluar valores y tendencias (espaciales y/o temporales) de indicadores que caractericenel estado de un sistema ecolgico [14, 15]

1Esta interpretacin del trmino dinmico difiere un poco de la perspectiva matemtica e ingenieril, en la queun sistema dinmico se define como aquel en que las variables que lo caracterizan pueden cambiar sin influenciadel entorno y cuyo valor depende de seales aplicadas en un tiempo anterior [11]. Por esta ltima propiedad se lesllama tambin sistemas con memoria.

4

- Seguimiento y toma de decisiones

* Determinar si acciones especficas de manejo tienen los efectos deseados [13, 14, 15]

* Detectar de manera temprana los efectos peligrosos en componentes de los ecosistemas[13]

* Identificar las implicaciones de daar los ecosistemas [13]

* Determinar si las leyes ambientales han sido implementadas [15]

Formas de monitoreo

A nivel general, se puede clasificar el monitoreo ecolgico de acuerdo a la localizacin del elementoencargado de recolectar los datos (el sensor) respecto al objeto o fenmento del que se espera captarinformacin. Con este criterio se habla entonces de monitoreo in-situ, cuando ambos elementos seencuentran en el mismo sitio; y monitoreo ex-situ o percepcin remota (del ingls, remote sensing- tambin conocida como teledeteccin), cuando ambos se encuentran en sitios distintos [16].

1.3 Monitoreo in-situ

Descripcin

La recoleccin de datos in-situ (IS) se realiza de dos formas: en estaciones fijas o por equiposmviles de observacin [17]. En ambas, se hace uso tanto de instrumentos artificiales como dela experticia sensorial de profesionales que realizan trabajo de campo. Entre la gran cantidad deinstrumentos de monitoreo que se usan en las ciencias del medio ambiente se resaltan las cmarasdigitales, microscopios, espectrmetros, sensores meteorolgicos, dispositivos de seguimiento conGPS y sensores fisiolgicos.

Gracias al desarrollo de las tecnologas de comunicacin, ha surgido la telemetra como uncampo interesante en las tecnologas IS. En la telemetra se hace uso de sensores transmisores, queson ubicados en o muy cerca a los organismos o fenmenos; y receptores, en un centro de datos[18], lo que permite observar y analizar la informacin captada IS a grandes distancias (de ah elprefijo tele). En la figura 1.1 se representa esquemticamente la telemetra en contraste con unamedicin que se podra llamar de campo. Se puede notar que en esta ltima hay una restriccinespacial entre sensor y observador, restriccin que se supera al usar sistemas de transmisin quepermiten que el observador incluso pueda monitorear desde fuera del ecosistema sin sacrificar lacalidad de la informacin, ya que se conserva la cercana del sensor al objeto o fenmeno de estudio.Existen dos tipos de telemetra de acuerdo a la forma en que se transmite la informacin, ya seapor ondas de radio o por ondas acsticas. La radiotelemetra es la de uso ms comn, aunque seusa la telemetra acstica en ambientes de agua salada [19].

Adems de la telemetra, con los avances en tecnologas de informacin y comunicacin se haposibilitado la formacin de redes de sensores que potencian y proveen nuevas oportunidades en elmonitoreo ecolgico y ambiental ya que permiten, entre otras cosas, una proximidad al fenmenode estudio y una visin ms global de los fenmenos a estudiar por la posibilidad de integrarinformacin de varios sensores en tiempo real [20]. En la figura 1.2 se presenta el esquema genricode una red de sensores en los que se representan la propiedades de los dispositivos que hacen partede la red de monitoreo.

Por la forma en que se curva el csped se puedesaber la direccin del viento. Proverbio chino

5

Observador Sensor

Sistema

ObjetoFenmeno

(a) In-situ: De campo

Observador

Sensortransmisor

ObjetoFenmeno

Sistema

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(b) In-situ: Telemetra

Figura 1.1: Monitoreo in-situ

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n3n4 n5

Estacin base Estacin base

Servidorde la red

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Nodos o sensores

Figura 1.2: Esquema de una red de sensores

Fuente: Adaptado de [21]

1.4 Percepcin remota

DefinicinEn un sentido general, la percepcin remota (PR) permite obtener informacin de un objeto ofenmeno sin estar en contacto directo con l, mediante la deteccin de cambios que ste impongasobre un campo que lo rodee, que puede ser de carcter electromagntico, acstico o potencial [22].Con base en esto, de los 5 sentidos con los que cuenta el ser humano, se podra decir que 3 de ellosse basan en percepcin remota: la visin, el olfato y la audicin; ya que no es necesario el contactodirecto con los objetos para extraer informacin. Ahora bien, en el mbito de este trabajo, comose describi en la seccin 1.2, lo que define si el monitoreo es remoto o no, es la ubicacin respectoal sitio que delimita el estudio, por lo que estos 3 sentidos pueden hacer parte de un sistemade percepcin in-situ (p. ej. observaciones de vegetacin en campo) o percepcin remota (p. ej.observacin area de mamferos acuticos). Por lo descrito anteriormente y para evitar confusin,se modifica un poco la definicin general:

La percepcin remota (PR) permite obtener informacin de un objeto o fenmeno sin estar en elmismo sitio de estudio de ste

6

Es importante tener en cuenta que la definicin presentada es genrica, y que el trmino usual-mente se limita a informacin en forma de ondas electromagnticas y a grandes distancias entreobjeto y sensor; incluso, en algunas fuentes, se ha especializado en informacin recibida nicamentedesde satlites.

DescripcinUn sistema de PR cuenta con 4 componentes bsicos (figura 1.3): Una fuente de energa [A], unobjeto o fenmeno del que se quiere obtener informacin [B], un receptor de seales o sensor [C]y un sistema de recepcin e interpretacin de informacin [D]. De acuerdo a la fuente disponibley al comportamiento del objeto o fenmeno frente a esta fuente, se hace uso de varios tipos desensores con caractersticas adecuadas que permiten que la informacin original (en forma de luz osonido) sea traducida a seales de ms fcil manipulacin y as, facilitar el proceso de recepcine interpretacin.

A

B

C

D

Figura 1.3: Componentes de un sistema de percepcin remota

XXXXXXXXXXTipoUbicacin Externo Objeto/Fenmeno Sensor

ElectromagnticoPasivo-reflexin Pasivo-emisin Activo o radarNuestra visin Cmaras trmicas Scanner corporal de

Rayos X

AcsticoPasivo-reflexin Pasivo-emisin Activo

Nuestra audicin Sonar de deteccin deobstculos

Tabla 1.1: Clasificacin de PR

La organizacin general de PR se logra mediante dos caractersticas de la fuente de energa:el tipo y su ubicacin. En la tabla 1.1 se pueden distinguir las dos formas bsicas de PR: pasiva(en tono oscuro) y activa (en tono claro). En la PR pasiva el sensor recibe la seal proveniente delobjeto o fenmeno, que ste refleja de una fuente externa o emite por si mismo. Cuando se emitela seal de envo, es decir, cuando la fuente de la seal es controlada desde el sistema de deteccin,se habla de PR activa, que en caso de ser de tipo electromagntico se conoce como sistema radar.En la figura 1.4 se puede observar la representacin esquemtica haciendo uso de las convencionesusadas en la figura 1.3.

La PR es una herramienta adecuada y de uso creciente en el monitoreo ecolgico, ya que ofrece5 capacidades [23], que van ligadas directamente con los objetivos (ver p.4) que se buscan cumplircon el monitoreo ecolgico:

7

AB

C

D

(a) PR pasiva - reflexin

A-B

C

D

(b) PR pasiva - emisin

B

A-C

D

(c) PR activa

Figura 1.4: Formas de percepcin remota

ObservacinPermite entender el hbitat en un sentido ms amplio

Medicin y anlisisPermite la captura y el anlisis de informacin de una manera ms amplia y rpida

Mapeo y clasificacinIncrementa la precisin en la clasificacin y posibilidades de integracin de la informacin

Monitoreo en espacio y tiempoAdems del estudio espacial facilita el anlisis temporal para anlisis y prediccin por elvolumen y precisin de la informacin que permite obtener

Apoyo a toma de decisionesGracias a las capacidades anteriores se vuelve una herramienta poderosa para guiar procesosde toma de decisin de manera que sean ms efectivos

Sistemas electromagnticos

Los sistemas de percepcin remota electromagnticos (PR-EM) hacen uso de propiedades de lasondas electromagnticas captadas de objetos y fenmenos, que intrnsecamente contienen informa-cin de stos. Las ondas electromagnticas se distribuyen y clasifican energticamente de acuerdo asu longitud de onda en el espectro electromagntico (figura 1.5), distinguiendo principalmente treszonas de acuerdo a la percepcin visual: la zona del ultravioleta, del visible y del infrarrojo. Deacuerdo a la aplicacin de esta energa electromagntica, el espectro se divide en ms subzonas.En la tabla 1.2 se observa una clasificacin tpica ms detallada de las subzonas y su ubicacin enel espectro.

8

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 2 3 4 5 610 10 10 10 10 10 10 10 10 1 10 10 10 10 10 10

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

MICROONDAS

INFRARROJO

VISIBLE

RAYOS X SUAVES

RAYOS X FUERTES

RAYOSGAMMA

Radio AMCavidad RF

Radio FM

Hornomicroondas

RadarGente

Bombillo Advanced Light Source Mquinasde rayos X

Elementosradioactivos

Ms altaMs baja

Ms larga Ms corta

10 10 10 1 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 103 2 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12

10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Longitud de onda(en metros)

Tamao de lalongitud de onda

Nombre comnde la onda

Fuentes

Frecuencia(Hertz)

Energa de un fotn(Electron-voltios)

Campo deftbol Casa

Bola de bisbolEste

punto Clula Bacteria Virus ProtenaMolculade agua

ONDAS DE RADIO ULTRAVIOLETA

Figura 1.5: Divisin del espectro electromagntico

Fuente: [24]

Zona Sub-zona Longitud de onda (m) Frequencia (Hz)

InfrarrojoRadio > 1 101 < 3 109Microondas 1 103 1 101 3 109 3 1011Infrarrojo 7 107 1 103 3 1011 4 1014

Visible Visible 4 107 7 107 4 1014 7,5 1014

UltravioletaUV 1 108 4 107 7,5 1014 3 1016Rayos X 1 1011 1 108 3 1016 3 1019Rayos Gamma < 1 1011 > 3 1019

Tabla 1.2: Espectro electromagntico

Fuente: [25]

La distincin de caractersticas se origina gracias a que cada objeto o fenmeno posee una firmaespectral, es decir, propiedades de reflexin o emisin particulares en diferentes longitudes de onda.En la figura 1.6 se muestran curvas espectrales de reflectividad tpicas de diferentes componentes deecosistemas en las que se pueden identificar diferencias y tendencias importantes en varias regionesdel espectro electromagntico.

La PR-EM se suele realizar desde aviones o satlites, en los que son ubicados los sensores. Eneste proceso se hacen capturas de imgenes en diferentes rangos del espectro electromagntico,denominados comunmente bandas espectrales. Los siguientes son los 4 parmetros que caracterizanlos sensores y por tanto las imgenes PR-EM [23, 27]:

Resolucin espacialEl rea mnima de identificacin y cuantificacin de radiacin

Resolucin espectralCantidad y tamao de las bandas espectrales que se captan

Resolucin radiomtricaValores discretos con los que se cuantifican los rangos de radiacin en el sensor

Resolucin temporalTiempo en que el sensor vuelve a pasar por un punto determinado de la Tierra

9

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

1.00

0.90

0.80

0.70

0.60

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00

Nieve pura

Nubes

Arena de desierto

SueloVegetacin

Agua (sin brillo)

Suavizada

Ref

lect

anci

a

Longitud de onda (m)

Figura 1.6: Curvas espectrales tpicas en espectro ptico

Fuente:[26]

Sistemas acsticos

Las ondas acsticas, a diferencia de las electromagnticas, necesitan de un medio elstico parasu origen y transmisin. Por este motivo se han desarrollado tres ramas principales de aplicacinde percepcin remota acstica (PR-AC) de acuerdo al medio de propagacin: acstica estructural[28, 29], acstica atmosfrica/area y acstica acutica/subacutica (hidroacstica) [29, 30]. En latabla 1.3 se pueden distinguir tecnologas asociadas a las dos ltimas ramas especificando la formade PR, ya que son las de mayor aplicacin en monitoreo ecolgico.

PPPPPPPPMedioPR Activa Pasiva

Aire/atmsfera Ecosondas atmosfricas (SODAR);sensores ultrasnicos

Micrfonos

Agua SONAR - Ecosondas acuticas SONAR - HidrfonosTabla 1.3: Clasificacin de PR-AC

En el estudio y uso de ondas acsticas se distinguen tres franjas principales de acuerdo a lapercepcin humana: el infrasonido (< 20Hz), el sonido (20Hz20kHz) y el ultrasonido (> 20kHz)[29]; reconociendo que estas zonas son difusas, ya que el rango de la zona audible vara de acuerdoa la sensibilidad individual influenciada, entre otros factores, por la edad y salud.

Al igual que se puede descomponer la luz blanca en diferentes colores, el sonido se puedeanalizar en componentes frecuenciales (tonos), por lo que tratar la frecuencia en una onda acsticaes cuestin de analizar sus componentes frecuenciales [28]. En la tabla 1.4 se pueden distinguiralgunas fuentes de sonido con abundancia de tonos en frecuencias no audibles para tener una ideade su posible deteccin y uso.

10

Zona Fuente

Infrasonido

Fenmenos geofsicos: Terremotos y explosiones volcnicas;meteoroides en la atmsfera; olas ocenicas, avalanchas [29,31]Flujo turbulento en la sangre [29]Algunas especies acuticas [32]Armnicos de sonidos de elefantes [29]

UltrasonidoMurcilagos [29, 33]Algunas especies de aves [29]Instrumentacin no invasiva [29, 30]Tabla 1.4: Fuentes de infrasonido y ultrasonido

1.5 Sntesis

En la figura 1.7 se presenta de manera esquemtica un resumen de lo que se expuso durante elcaptulo.

Marco conceptual

Ecologa

Distribucin y abundancia

Ecosistema

Abierto In-situIS

Propiedades emergentes

Monitoreo ecolgico

TelemetraIS T

ElectromagnticaIS-T-EM

CampoIS-C -

AcsticaIS-T-AC

Percepcin remota

PR

ElectromagnticaPR-EM

ActivaPR-EM-A

PasivaPR-EM-P

AcsticaPR-AC

ActivaPR-AC-A

PasivaPR-AC-P

FactoresComponentes

biticos y abiticos

Dinmico

Figura 1.7: Sntesis esquemtica. Captulo 1

11

Captulo 2

Aplicaciones

Se recopila una serie de aplicaciones del monitoreo ecolgico alrededor del mundo con el fin de daruna aproximacin real a los problemas que se pueden apoyar en el monitoreo ecolgico y listar connombre propio variables, ecosistemas y actividades, para vincularlos con la clasificacin tecnolgicapropuesta en el captulo 1.

Sepa dnde encontrar la informacin y cmo usar-la. Ese es el secreto del xito. Albert Einstein.

2.1 Variables en el monitoreo ecolgico

Gran cantidad de aplicaciones de monitoreo se han desarrollado a partir de las caractersticas queofrecen las diferentes tecnologas descritas en el captulo anterior. Cada una de estas aplicacionesusa diferentes niveles de informacin que van desde la medicin de variables fisico-qumicas hastael manejo y toma de decisiones. Cada nivel en esta pirmide (figura 2.1) va asociado al nivel deabstraccin y anlisis de esta informacin. A continuacin se presenta una descripcin de cadanivel.

MANEJO

INTERACCIONES

VARIABLES BIOLGICAS

VARIABLES FISICO-QUMICAS

Polticas ambientales, modelos de explotacin

No. de individuos, distribucin espacial de especies, clasificacin de biotopos, bioindicadores, etc.

Salinidad, temperatura, PH, rea, sonidos, intensidad de luz, altitud, concentraciones qumicas, humedad, etc.

Indicadores de biodiversidad,salud e integridad de ecosistemas

Creacin de zonas deproteccin, manejo de

recursos

Calidad de serviciosambientales

Figura 2.1: Niveles de informacin en el monitoreo ecolgico

13

Variables fisico-qumicasEs el nivel de informacin ms general que se tiene ya que los instrumentos o sensores seencargan de medir este tipo de variables de manera directa. Dentro de este tipo de variablesse encuentran entre otras: la intensidad y frecuencia lumnica, el nivel de un fluido, la posicinespacial, el tiempo, la concentracin de iones, PH, el contenido de humedad y la corrienteelctrica. Se debe tener en cuenta que algunas de estas medidas son derivadas unas de otras,por ejemplo, un sensor de PH tpico se basa en la combinacin de seales recibidas por unelectrodo de medida, un electrodo de referencia y un sensor de temperatura.

Variables biolgicasPara obtener este tipo de informacin se deben interpretar las variables fsico-qumicas enun contexto biolgico, es decir, darle un sentido biolgico a lo que se percibe. Por ejemplo,la observacin en campo de una comunidad (usando los 5 sentidos) entrega informacinfisico-qumica que el observador interpreta y contextualiza a nivel biolgico contando losindividuos, anotando patrones de comportamiento, clasificando hbitat, entre otros. En latabla 2.1, tomada del trabajo de Spellberg [13], se muestra el conjunto y clasificacin devariables biolgicas utilizadas en el monitoreo ecolgico.

Grupo Variables

Biomasa

rea o porcentaje de coberturaProduccinCantidad de biomasa muertaEstructura vegetalEstudios liquenomtricos

Composicinde especies

Riqueza de especiesDiversidad de especieFrecuencia de especiePorcentaje de muestras de ocurrencia de especieOcurrencia de indicadores de especieOcurrencia de especies raras

Fenologa deespeciesseleccionadas

Patrones espaciales de distribucinDensidad de poblacinAbundancia relativa de depredadores y presaPosicin trfica

Distribucinde edad-clases

Dimetro de rbolesTasas de nacimiento,supervivencia y mortalidadTamaoTasa de crecimientoEstado reproductivoNmero en condicin reproductivaPlantas en florecimientoTamao de la colonia de crasContenido qumico de materia viva y muertaEstructura y composicin del suelo

Tabla 2.1: Variables biolgicas en el monitoreo ecolgico

Fuente: [13]

InteraccionesEn este nivel de informacin se tiene en cuenta la informacin biolgica y fisico-qumica y loque pueda resultar de su sinergia. Esta informacin tiene cierto carcter subjetivo debido a

14

que en la vida real las interacciones entre los seres vivos y su entorno (que incluye otros seresvivos) son complejas y monitorearlas requiere de abstraccin e interpretacin.

ManejoEl ltimo nivel de informacin se basa en la interpretacin final para la toma de decisionesy manejo del sistema. Es la mayor abstraccin ya que implica una valoracin cualitativa ycuantitativa de la informacin (que ya se ha procesado e intregrado) para producir planes deaccin sobre el sistema.

Para brindar ms claridad y contexto a la clasificacin y estructura del captulo, se va asociar ca-da nivel de informacin a actividades de monitoreo ecolgico: parte de la informacin fisico-qumicase va a tratar en la medicin de factores ambientales; la informacin biolgica se estructurar enactividades de rastreo, censo, distribucin y caratersticas; las actividades de mapeo y medicinintegral de ecosistemas comprenden el nivel de interacciones y; finalmente, el manejo se asociarcon actividades y proyectos de planeacin, seguimiento y manejo de ecosistemas.

Adems de esto, basado en la clasificacin tecnolgica del monitoreo realizada en el captulo1 (ver figura 1.7), se expondrn las formas en que estas tecnologas se aplican en las actividadespropuestas y algunos de los proyectos que se han realizado en pocas actuales.

2.2 Factores ambientales

Los factores ambientales se deben entender, en este caso, como aquellos pertenecientes al ambientefsico asociado a la comunidad bitica del ecosistema de estudio (ver la definicin de ecosistema,p.3). Estos factores incluyen gran parte de las variables fisico-qumicas asociadas a los elementosno biticos del ecosistema, por ejemplo: temperatura del aire, humedad del suelo, concentracionesqumicas del agua, entre otros. Su campo tecnolgico es bastante extenso y el uso en el moni-toreo ecolgico es bastante importante gracias a las interacciones y asociaciones inherentes de lacomunidad bitica con su ambiente fsico.

En el monitoreo ambiental se cuenta con una gran cantidad de sensores y bases de datos, quevan desde escalas institucionales hasta mundiales. Su informacin es la que ms abunda a nivelgeneral y sta puede ser utilizada para aproximar y predecir informacin biolgica mediante el usode modelos ecolgicos.

2.3 Rastreo, censo, distribucin y caractersticas

El monitoreo de variables biolgicas (tabla 2.1), se divide en 4 actividades principales: el rastreo,el censo, la distribucin y las caractersticas de los organismos.

- El rastreo tiene que ver con el seguimiento espacial para determinar la ubicacin concreta deun individuo o grupo en un momento determinado del tiempo, por lo que es lgico que serealice en organismos con gran movilidad.

- La actividad de censo tiene que ver con el conteo de individuos en un rea de estudio quese puede realizar por medio de conteo completo, muestreo y estimacin o haciendo uso dendices [33].

- Ligada al rastreo y al censo, en la distribucin se busca establecer un mapeo de organismoso poblaciones para establecer reas de ocupacin, de crecimiento y otros patrones espacialesde relevancia ecolgica.

- La determinacin de caractersticas, en este caso, hace referencia a la captura de informacinpropia del organismo, es decir, caractersticas intrnsecas: fisiolgicas, de comportamiento ode estado energtico.

15

Tecnologa Tipo de variables Ecosistema FuenteIS-Campo

Medidor multipar-metro de mano

Temperatura del agua, turbidez,conductividad, pH, oxgeno di-suelto, dureza, altitud, precipi-tacin, nitratos, entre otros

Reservorios/ Ecosis-temas de agua dulce

[34]

Bases de datos:ICESa MUDABb

Salinidad del agua; temperatu-ra; concentraciones de silicatos,fosfatos y nitratos; textura delsedimento

Lecho marino [35]

Medidor de mano Salinidad Lago estuarino [36]IS-Telemetra

GPS, Sensores elec-trnicos, GSM

velocidad del viento, temperatu-ra, humedad

Zona de cultivo [37]

PR-EMRadar Satelital Velocidad del viento Ocano [38]Satelital multiespec-tral

Salinidad Lago estuarino [36]

PR-ACSonda acstica Conveccin trmica Oasis polar [39]

Tabla 2.2: Aplicaciones en factores ambientalesa International Council for the Exploration of the Sea (http://www.ices.dk)b Marine Environmental Data Base (http://www.bsh.de/en/Marine_data/Environmental_protection/MUDAB_database/)

RastreoEn esta actividad se busca la localizacin espacial y, por tanto, es importante la movilidad, lascaractersticas y el medio en el que el organismo, poblacin o fenmeno se desarrolla para ladeterminacin de las tcnicas y tecnologas correctas para su seguimiento.

En el caso de tecnologas IS se usa una rama de la telemetra conocida como telemetra posi-cional, en la que los organismos (mviles) son rastreados con sensores de posicionamiento que sonllevados por los mismos. Por otro lado, las tcnicas PR, tanto PR-EM como PR-AC, tambin hansido usadas para el rastreo con la caracterstica principal de no ser invasivas.

Tecnologa Tipo de organismo FuenteIS-Campo

Etiquetas de anclaje T Peces [40]IS-Telemetra

AcsticaPeces [40, 41]Medusa [42]Cangrejo [43]

ElectromagnticaAve [44]Tiburones [42, 45]

PR-EMImagen satelital trmica Tiburones [45]

PR-ACHidrfonos Ballenas [46]

Tabla 2.3: Aplicaciones en rastreo

16

Censo y distribucinLos datos adquiridos por PR-EM multiespectral o hiperespectral se usan para inferir la distribu-cin espacio-temporal de la vegetacin y para estimar sus propiedades biofsicas y bioqumicas,parmetros que pueden servir para indicar el estrs o como marcadores para la identificacin deespecies [47].

Para la localizacin, conteo y mapeo de organismos en ambientes acuticos se han llegado a4 enfoques: el uso del sonar pasivo, conocimiento previo y muestreo, estadsticas de ecos a altasfrecuencias y coincidencias de modelos con mediciones de baja frecuencia [48].

Tecnologa Organismo/comunidad/fenmeno FuenteIS-Campo

GPS, Fotografa Materia orgnica [49]Microscopio Fitoplancton [34]BD Comunidades bentnicas/Bentos, cober-

tura vegetal[35]

Vdeo Arrecifes de coral [50]CPR, BD, HPLC Fitoplancton [38]

IS-TelemetraGPS, sensores in-frarojos, GSM

Insecto volador [37]

GPS Mamferos terrestres, cobertura vegetal [51]PR-EM

Satelitalmultiespectral

Comunidades de coral [52]Materia orgnica [49]Comunidades de plantas de humedal [53]Mamferos terrestres [51]

Satelitalhiperespectral

Comunidades vegetales terrestres [54, 55]Fitoplancton [38]

Radar areo Materia orgnica [49]Radar satelital Fitoplancton [38]Fotografa areamultiespectral

Materia orgnica [49]Comunidades de plantas de humedal [53]

PR-AC

EcosondaAlgas [56]Arrecifes de coral [50]

Tabla 2.4: Aplicaciones en censo y distribucin

CaractersticasEl monitoreo de caractersticas tiene que ver con la medicin de las variables esenciales del orga-nismo, es decir, aquella informacin que permite diferenciarlo como un ente nico: su fisiologa,comportamiento y estado energtico. La biotelemetra es la rama de la telemetra encargada de lamedicin de variables fisiolgicas, de comportamiento o de estado energtico, en las que se usan,entre otros, sistemas de coleccin de video y ambiente transportados por animales[57].

El uso de firmas espectrales usando PR-EM adems de poder distinguir coberturas se puedenestimar propiedades de stas. Un ejemplo de uso tpico en ecologa es el anlisis de caractersticasde coberturas vegetales para estimar contenidos de clorofila, humedad relativa, temperatura oestructura celular, que se puede inferir mediante modelos que vnculen absorcin o emisin en

17

ciertas longitudes de onda a estas propiedades. En la figura 2.2 se observan los factores que afectanla absorcin en diferentes longitudes de onda para una curva tpica de cobertura vegetal en elespectro ptico (400nm - 2500nm).

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.00

Ref

lect

anci

a (%

)

Longitud de onda (m)

Estructuracelular

Contenido de agua

Absorcin de agua

Pigmentosde la hoja

Absorcin deClorofila

Visible IR cercano IR de onda corta

Figura 2.2: Factores que controlan la reflectancia en las hojas de la vegetacin

Fuente: [58]

2.4 Mapeo de ecosistemas

Las aplicaciones comunes de la PR-EM son el mapeo de cobertura y el uso de la tierra, que sonfundamentales para una clasificacin de ecosistemas a escala de paisaje. Este proceso de llevar datosde sensores PR-EM a mapas de ecosistemas consta de 6 fases principales: la determinacin del reay objetivos del proyecto, la definicin de un sistema de clasificacin, la seleccin de imgenesapropiadas, el preprocesamiento de las imgenes, la escogencia de un mtodo de clasificacin yfinalmente, la validacin in-situ [23].

Al tener la posibilidad de realizar este proceso de clasificacin de una manera repetida y conbuena precisin (ver seccin 1.4), el uso de imgenes PR-EM es una buena herramienta para elanlisis temporal de cambios en cuanto a uso y cobertura, informacin que puede llegar a ser anms til para la toma de decisiones y manejo.

Este mapeo, adems de lo dicho, es valioso para la prediccin de la distribucin tanto de especiesindividuales como de grupos de especies en reas que no podran ser revisadas con los mtodosdescritos en la seccin 2.3 [59, 51].

2.5 Medidas integrales de ecosistema

Un gran volumen de indicadores de biodiversidad y servicios de los ecosistemas se han desarrolladoen el campo de la ecologa. Estos indicadores se pueden caracterizar y clasificar de acuerdo a 5criterios: propsito de indicacin, tipo de indicador, escala espacial, componente de biodiversidadal que va dirigido y servicios de ecosistema al que va dirigido [67]. En la tabla 2.6, tomada de Feldy otros [67], se muestran los diferentes criterios con sus respectivos campos, con el objeto de ver la

18

Tecnologa Tipo(s) de ecosistema FuenteIS-Campo

Inspeccin de campo Ecosistemas de Inglaterra [60]PR-EM

Satelitalmultiespectral

Ecosistemas de parques nacionales de Canad [61]Bosques ribereos [62]Ecosistemas de estuario: Manglar, ecosistemade duna

[63]

Praderas, cultivos, bosque de conferas, pan-tanos, pramo

[64]

Ecosistemas de Inglaterra [60]Humedal [65]

Fotografa area Ecosistemas de Inglaterra [60]

Radar areoHumedal [65]Arrecifes de coral [66]

PR-ACSonar multihaz Arrecifes de coral [66]

Tabla 2.5: Aplicaciones en mapeo de ecosistemas

cantidad de posibilidades de indicadores que hay y su abstraccin a partir de intregracin de datosbiolgicos y fisico-qumicos.

Criterio CategorasPropsito o campo deaplicacin

Evaluacin de calidad del hbitat, monitoreo, biodiversidad, evaluacinde calidad de agua, evaluacin de estado ecolgico, evaluacin de res-tauracin/manejo, evaluacin de funcin del ecosistema, evaluacin derespuesta a disturbios naturales, modelamiento predictivo, valoracineconmica

Tipo de indicador Bitico: genticos, de especie, de comunidad, de funcin, de estructura,sensibilidad, rasgosAbiticos: fsicos, qumicos, bioqumicos, rea del habitat, fragmenta-cin

Escala espacial Parche (parcela), local, regional, nacional, subglobalComponente de di-versidad evaluado

Gentico, estructural, funcional

Servicio del ecosiste-ma evaluado

Suministro de agua/ comida, suministro de energa/ fibra, recursos ge-nticos/ ornamentales, regulacin de aire/ clima/ agua/ erosin, regu-lacin de enfermedades/ pestes/ peligros, polinizacin, tratamiento deagua/ autopurificacin, produccin primaria, formacin de suelo, des-composicin, ciclo de nutrientes/ agua

Tabla 2.6: Indicadores de biodiversidad y servicios del ecosistema

Fuente: [67]

Mediante el uso de imgenes PR-EM se pueden observar medidas intregrales de ecosistema deuna manera ms amplia. Por ejemplo, la productividad de la red primaria (NPP - Net PrimaryProduction), estimada a partir de ndices de vegetacin en relacin con datos metereolgicos y desuelo, usando PR-EM entrega estimaciones simultneas de la funcin de ecosistema a una granescala espacial [59].

19

Tecnologa(s) de mo-nitoreo

Tcnica(s) de anlisis Tipo(s) de ecosistema Fuente

Complejidad estructuralPR-EM S ME; PR-EM S R; IS-C

Modelo estadstico Bosque montano [51]

Calidad ecolgicaIS-C Redes neuronales Cuenca de ro [68]

Riesgo ecolgico/ susceptibilidad/ alteracin del estado ecolgicoPR-EM S ME; PR-EM S R; IS-TD

Modelos estadsticos Arrecife de coral [69]

PR-EM S; PR-EMA;IS-C

Modelo estadstico, n-dices

Playa salina, humedal de pantano, cuerposde agua dulce, bosques y pasturas, estan-ques de camarn y yacimientos de sal, cam-po de arroz, campos agrcolas secos, asen-tamientos humanos

[70]

IS-C Metodologa dinmico-estocstica, Autmatascelulares

Reservorios/ Ecosistemas de agua dulce [34]

Tabla 2.7: Aplicaciones en medidas integrales de ecosistema

2.6 Manejo y toma de decisiones

Cuando se cuenta con buena informacin procesada e integrada se obtiene un conocimiento basedel estado del sistema ecolgico, que sirve de soporte para sacar conclusiones, tomar decisiones yejecutar acciones sobre ste para tratar llevarlo a un estado deseado o uno cercano. Tambin sedebe tener en cuenta que el proceso se puede hacer de manera inversa y a partir de acciones sobreel sistema se pueden sacar conclusiones, que se pueden vincular con informacin integral, biolgicay fisico-qumica, con el efecto en el tiempo de anlisis y la incertidumbre de pasar de lo subjetivoa lo objetivo.

En los estudios ecolgicos confluyen muchas disciplinas cientficas. Por esto, es necesario que lainformacin que se desee valorar para tomar un decisin y ejecutar acciones debe ser tan integralcomo lo plantean los objetivos y el mismo sistema. Es decir, en un proceso de toma de decisiones nosolo se debera evaluar la informacin biolgica, fisico-qumica o integral; tambin se debe tener encuenta el contexto socio-cultural y el econmico, que como se plantea en el desarrollo sustentable,estn estrechamente ligados al entorno ambiental.

Para cumplir el reto de la toma de decisiones correctas, los cientficos han desarrollado grancantidad de herramientas analticas para modelar, desde varias perspectivas, los sistemas ecolgicosy evaluar las consecuencias de diferentes acciones. Los modelos matemticos de sistemas complejosrepresentan los vnculos y relaciones entre los componentes y pronostican consecuencias de ciertasintervenciones sobre stos. Las tcnicas basadas en economa cuantifican salidas en trminos decosto-beneficio. El anlisis de riesgo caracteriza las salidas no deseadas y la incertidumbre querodea el sistema y estima sus probabilidades. Todo este conjunto de tcnicas hacen parte de unsistema de decisin y accin que se realiza usualmente con trabajo de expertos o mediante el usode software de apoyo con modelos de procesamiento [71].

2.7 Sntesis

En la figura 2.3 se presenta de manera esquemtica un resumen de lo que se expuso durante elcaptulo.

20

Aplicaciones

Informacin

Fisico qumica

Biolgica

Interacciones

Manejo y toma de decisiones

Actividades

Factores ambientales

Rastreo, censo, distribucin y caractersticas

Mapeo de ecosistemas

Medidas integrales de ecosistema

Manejo y toma de decisiones

In situIS

Campo

Telemetra

Percepcin remota

PR

ElectromagnticaPR-EM

AcsticaPR-AC

-IS-C

IS-T

-

Figura 2.3: Sntesis esquemtica. Captulo 2

21

Captulo 3

Panorama en Colombia

Se contextualiza el tema del monitoreo ecolgico en Colombia mediante el marco normativo yorganizacional y se realiza una descripcin y anlisis de dos proyectos de alcance nacional: el mapade ecosistemas continentales, costeros y marinos y; el sistema de monitoreo de Arrecifes de Coral,SIMAC. La investigacin de estos dos proyectos se presenta a nivel de metodologa y tecnologasde monitoreo empleadas.

3.1 Marco normativo y organizacional

Colombia es un pas diverso en manifestaciones de vida, cultura y clima. Gracias a su posicingeogrfica, que la ubica en la zona ecuatorial, Colombia se posiciona como uno de los 12 pasesms ricos en biodiversidad a nivel mundial, entre los que se alberga el 70% de la biodiversidad delplaneta [72]. An ms, Colombia est posicionada en los 5 pases ms biodiversos en los grupostaxonmicos mayores (ver tabla 3.1).

Plantas Anfibios Reptiles Aves MamferosBrasil Colombia Australia Colombia Brasil53000 733 755 1865 523

Colombia Brasil Mxico Per Indonesia41000 517 717 1703 515

Indonesia Ecuador Colombia Brasil Mxico35000 407 524 1622 502China Mxico Indonesia Ecuador China28000 284 511 1559 499Mxico China Brasil Indonesia Colombia26000 274 468 1531 471

Tabla 3.1: Nmero de especies por grupo taxonmico de los 5 pases ms biodiversos. Datos hasta2002.

Fuente: [72]

Mediante la ley 99 de 1993 se cre el Ministerio de Medio Ambiente (Actualmente Ministerio deAmbiente, Vivienda y Desarrollo Territorial) y se organiz el Sistema Nacional Ambiental (SINA)con el objetivo de dar un manejo ambiental al territorio. En la ley se define el SINA como

el conjunto de orientaciones, normas, actividades, recursos, programas e instituciones quepermiten la puesta en marcha de los principios generales ambientales del pas 1

1Ley 99 de 1993, Ttulo II, artculo 4o. http://www.minambiente.gov.co/documentos/normativa/ley/ley_0099_221293.pdf

23

Las principales entidades que componen el SINA son: el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desa-rrollo Territorial (MAVDT), el Departamento Nacional de Planeacin (DNP), las Corporacionesautnomas regionales (CAR), las Corporaciones de Desarrollo Sostenible (CDS), las AutoridadesAmbientales urbanas (AAU), los institutos de investigacin y los entes de control [73].

Las actividades de monitoreo de informacin ambiental estn relacionadas directamente conlas entidades de soporte tcnico como los son los institutos de investigacin y los centros de apoyocomo las universidades y sus grupos de investigacin. Hay 5 institutos de investigacin que estnadscritos y vnculados directamente con el MAVDT que brindan el soporte cientfico a los proyectosde investigacin y monitoreo ambiental.

- Instituto Von Humboldt

- Instituto de Estudios Ambientales y Meteorologa - IDEAM

- Instituto de Investigaciones del Pacfico - IIAP

- Instituto de Investigaciones Amaznicas - SINCHI

- Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras - INVEMAR

Con el objetivo de facilitar la generacin de conocimiento, la toma de decisiones, la educa-cin y la participacin social se cre el Sistema de Informacin Ambiental de Colombia (SIAC -http://www.siac.gov.co), siendo los principales contribuyentes de datos los institutos de investi-gacin nombrados y el MAVDT [74]. En este sistema de informacin, adems de estar involucradaslas entidades del SINA, se incluyen otras como el Instituto Geogrfico Agustn Codazzi (IGAC),otros ministerios, ONGs, sectores industriales, entre otros [75]. En la figura 3.1 se puede observaruna estructura bsica de cmo est organizado temticamente el SIAC de acuerdo a los tipos deinformacin que maneja, donde el resultado de la integracin es un punto de vista ecosistmico,simbolizado en la figura con la letra E.

Biodiversidad Ser humano Suelo A

gua

A

ire

E

Figura 3.1: Estructura del SIAC

Fuente: [74]

El SIAC se divide en dos grandes subsistemas: El Sistema de Informacin Ambiental -SIA-, quecomprende actores, polticas, procesos y tecnologas que gestionan informacin sobre el estado, eluso y aprovechamiento, la vulnerabilidad y la sostenibilidad del ambiente, en los mbitos continental

24

y marino; y el Sistema de Informacin para la Planeacin y la Gestin Ambiental -SIPGA- quecomprende igualmente actores, polticas, procesos y tecnologas para conocer y evaluar los procesosde gestin ambiental del pas [75]. En la figura 3.2 se pueden ver los sistemas de informacin conlos que se cuenta actualmente dentro de estos dos grandes sistemas y las reas temticas.

Sistema de Informacin Ambiental de Colombia

SIAC

SIA SIPGA

Sistema deinformacin Ambiental

Sistema de Informacin de Planificaciny Gestin Ambiental

OFERTA DE RECURSOS NATURALES(ESTADO)

USO DE RECURSOS NATURALES(PRESIN)

PLANIFICACIN Y GESTIN AMBIENTAL(RESPUESTA)

SISTEMAS DE INFORMACIN AMBIENTAL TERRITORIAL

Sistema de informacinsobre Biodiversidad

de Colombia

Sistema de Informacindel Recurso Hdrico

Sistema de informacinAmbiental Marina

Sistema Nacional deInformacin forestal

Sistema de InformacinSobre Calidad de Aire

Sistema de InformacinSore Uso de RecursosNaturales Renovables

Sistema Nacional deInformacin de Vivienday Desarrollo Territorial

Sistema de Gestin ySeguimiento a las Metas

del Gobierno

Sistema de Informacinde Planeacin y Seguimiento

a Metas del Ministerio

Ventanilla nica deTramites Ambientales

NA

CIO

NA

LR

EG

ION

AL

Sistema de informacinAmbiental Territorial

de la Amazonia Colombiana

Sistema de InformacinAmbiental Territorial

del Pacfico Colombiano

Sistema de Informacinde Planeacin y Gestin

Ambiental de las CorporacionesAutnomas Regionales

Figura 3.2: Sistemas de informacin del SIAC

Fuente: [75]

Teniendo una idea general de los actores que generan y gestionan la informacin ambientalen Colombia (SINA) y del Sistema de informacin que agrupa los datos (SIAC) se tiene entoncesuna base para investigar proyectos que impliquen en sus actividades labores de monitoreo eco-lgico. La primera revisin se hace desde el SIA que actualmente tiene integrados en el portalweb (http://www.siac.gov.co) tres de los sistemas de informacin: el Sistema Nacional de In-formacin Forestal (SNIF), el Sistema de Informacin Ambiental Marina de Colombia (SIAM) y elsistema de Informacin sobre Uso de Recursos Naturales Renovables (SIUR). Los dems sistemasde informacin an se encuentran en enlaces externos mostrados en la tabla 3.2.

Sistema de informacin Sigla Sitio de consultaSistema de informacin sobre Bio-diversidad de Colombia

SIB http://www.siac.net.co/web/sib/home

Sistema de Informacin del Recur-so Hdrico

SIRH http://www.pronosticosyalertas.gov.co,http://www.ideam.gov.co/

Sistema de Informacin Sobre Ca-lidad de Aire

SISAIRE http://www.sisaire.gov.co

Tabla 3.2: Sistemas de informacin del SIA

25

3.2 Proyectos

A partir de la bsqueda en estos sistemas de informacin se han seleccionado algunos proyectos enlos que se desarrolla monitoreo ecolgico y que han recogido la mayora de sus actividades (factoresambientales; rastreo, censo, distribucin y caractersticas; mapeo y medidas integrales; planeacin,seguimiento y manejo), describiendo principalmente la metodologa y seleccin de tecnologas deacuerdo a los objetivos del proyecto.

Mapa de ecosistemas continentales, costeros y marinos de ColombiaFuente: [76]

En este proyecto de escala nacional se busc la caracterizacin, el monitoreo y el seguimientode los ecosistemas de la nacin, cuyo producto final es el mapa de Ecosistemas continentales,costeros y marinos (ECCM) del pas a Escala 1:500000. Cont con el trabajo conjunto de los5 Institutos de investigacin ambiental y el IGAC. La metodologa para la obtencin del mapaconsisti bsicamente en la integracin de informacin climtica, geomorfolgica y de coberturasy cont con el apoyo de sistemas de informacin geogrfica (SIG). Las fuentes de origen y/oprocesamiento de informacin para el proyecto se muestran en la tabla 3.3

Datos Tipo de monitoreo Tecnologa asociada FuenteImgenes satelitales PR-EM-P Imgenes Landsat a IGAC

Modelo digital de terreno PR-EM-A Modelo SRMT b IGAC

Modelo digital de profundidad PR-AC-A , PR-EM-ADatos IBCCA c

InvemarDatos GEBCO dDatos ETOPO2 e

Temperatura y precipitacin IS-C, IS-T-EM Estaciones meteorolgicas IDEAMGeopedologa IS-C Bases de datos, campo IGAC

Imgenes satelitales PR-EM-A Imgenes RadarSat f IGACSustratos ocenicos IS-C Sedimentologa CIOH g Invemar

Fisico-qumicos del ocano n/a Base de datos NOAA h Invemar

Tabla 3.3: Datos para la generacin del mapa de ECCMa Programa Landsat (http://landsat.gsfc.nasa.gov/)b Shuttle Radar Topography Mission (http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/)c International Bathymetric Chart of the Caribbean Sea and the Gulf of Mexico (http://www.asc-csa.gc.ca/eng/satellites/)

d General Bathymetric Chart of the Oceans (http://www.gebco.net/)e 2-Minute Gridded Global Relief Data (http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/etopo2.html)f RadarSat (http://www.asc-csa.gc.ca/eng/satellites/)g Centro de Investigaciones Oceanogrficas e Hidrogrficas del Caribe. Cartas sedimentolgicas (http://www.cioh.org.co/index.php/cartografia-hidrografia/cartas-nauticas-hidrografia/)

h World Ocean Database (http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOD/pr_wod.html)

Con esta informacin de diversas fuentes primarias, recolectada a travs de un buena variedadde recursos tecnolgicos, se ejecut el proyecto. Como se puede observar, esta informacin basepertenece al grupo de variables de factores ambientales y a partir de ella se realiz anlisis yabstraccin basada en la experiencia ecolgica que los 4 institutos han acumulado de cada regin.En la figura 3.3 se pueden observar el flujo de informacin usando como recurso de jerarquizacinla clasificacin expuesta en la seccin 2.1 (ver figura 2.1).

El proceso de generacin informacin de interacciones a partir de informacin fisico-qumicaadquirida fue posible gracias a la experiencia que han acumulado los institutos de investigacin,a travs de sus miembros y colaboradores, en el manejo de informacin biolgica y su uso en la

26

MANEJO

INTERACCIONES

VARIABLES BIOLGICAS

VARIABLESFISICO-QUMICAS

Temperatura Precipitacin

Zonificacin climtica

Imgenessatelitales

Modelo digitalde terreno

Cobertura de la Tierra

Geopedologa

Biomas

Ecosistemascontinentales

Experienciade los institutos

Modelo digitalde profundidad

Geomorfologa

oxgeno disuelto, sigma , silicatos, nitratos y fosfatos del ocano

Clima ocenico

Salinidad, temperatura

Paisajes del fondomarino

Ecosistemas costerosy marinos

Sustratos ocenicos

Experienciade los institutos

Experienciade los institutos

Experienciade los institutos

Estado

Gestin

Figura 3.3: Variables en mapa de ECCM de Colombia

sinerga y validacin de informacin. A partir de toda la informacin acumulada hasta el nivelde interacciones se genera un conjunto de indicadores cuyo fin es hacer seguimiento al estadodel ambiente, la gestin ambiental y al desarrollo sostenible. El conjunto de 84 indicadores 2 esreportado por las Corporaciones Autnomas Regionales y de Desarrollo Sostenible y es la basepara una mejor gestin del territorio colombiano en el marco ambiental.

Sistema de Monitoreo de Arrecifes de Coral - SIMACFuente: [77]

Invemar define el SIMAC como un programa a largo plazo cuyo propsito es generar informacinacerca de la salud y dinmica de los arrecifes coralinos en Colombia. La idea del sistema es dar unabase para entender los factores que han originado su deterioro, generar recomendaciones para eluso sostenible de sus recursos y conservar su biodiversidad. El SIMAC cuenta con 10 estaciones demonitoreo en diez zonas del Pacfico y el Caribe en las que se monitorean variables fisico-qumicasy biolgicas, listadas en la tabla 3.4 junto a la tecnologa usada para la captura de informacin.

Al igual que el proyecto anterior los resultados de este monitoreo se sintetizan en los informesanuales sobre el estado de los arrecifes en Colombia. Invemar promulga que este sistema de mo-nitoreo ha contribuido con el conocimiento de la biodiversidad, a travs de la complementacinde listados de especies y realizacin de nuevos registros. Parte de estos datos se encuentran enel Sistema de Informacin y Soporte para el Monitoreo de Arrecifes Coralinos - SISMAC que fueconcebido para obtener, almacenar y proveer datos e informacin de forma sistematizada, quecontribuya a describir el estado actual de salud y los cambios a travs del tiempo de los arreci-fes coralinos, y de esta forma, detectar posibles perturbaciones naturales y/o antopognicas y sus

2Resolucin 0643 de 2004. www.minambiente.gov.co/Puerta/destacado/vivienda/gestion_ds_municipal/RESOLUCIONES/RL064304.doc

27

Nivel Variable Tecnologa Tipo

Fisic

o-qu

mico

Temperatura del agua de fondo Termmetro electrnico

IS-C

Temperatura ambiental Termmentro de mercurioTemperatura del agua superficialPrecipitacin pluvial PluvimetroNubosidad

Observacina

Estado del MarTransparencia de la masa de aguaSalinidad Refactrmetro manual +Tasa de sedimentacin y carbonato de cal-cio en los sedimentos

Trampa de sedimentacin y calc-metro

Estimacin de slidos en suspensin y con-tenido de materia orgnica

Equipo de filtracin y balanza +

Estimacin de la concentracin de clorofila Espectrofotmetro UV-Visible+

Nutrientes - Determinacin de amonio,Fsforo reactivo, nitritos y Silicatos

Biolgico

Cobertura de corales y otros organismosssiles

Observacin (buceo) b IS-CAbundancia de invertebrados de importan-cia comercial y/o ecolgicaAbundancia de gorgonceos erectosPrevalencia de enfermedades en las espe-cies de corales durosRiqueza y abundancia de peces de impor-tancia ecolgica y/o econmica

Tabla 3.4: Variables de monitoreo - SIMACFuente : [78]+ Anlisis a partir de muestras in-situa Interpretracin visualb Transecto e interseccin continua con estacas y/o interpretacin visual (buceo errante)

causas"se dise el "Sistema de Informacin y Soporte para el Monitoreo de Arrecifes Coralinos"3

3.3 Sntesis

En la figura 3.4 se presenta de manera esquemtica un resumen de lo que se expuso durante elcaptulo.

3Tomado literalmente de [77]

28

SINA

MAVDT

DNP

Institutos de investigacin

Instituto von Humboldt

IDEAM

IIAP

SINCHI

INVEMAR

CAR

CDS

AAU

SIACSIA

SIPGA

IGACInfo

rmac

in

Mapa de ecosistemas

continentales, costeros y marinos

Sistema de monitoreo de

arrecifes de Coral

Variables

Tipo de monitoreo

Tecnologas

Proyectos

Figura 3.4: Sntesis esquemtica. Captulo 3

29

Captulo 4

Conclusiones y discusin

El monitoreo ecolgico abarca un amplio rango de informacin y para llegar a presentar un marcoordenado de exposicin fue necesaria la propuesta de una clasificacin, ya que pese al gran vo-lmen de fuentes, la bsqueda no arroj una en particular que recopilara los diferentes recursostecnolgicos de manera global.

Tener los objetivos claros desde el principio en los proyectos de monitoreo ecolgico es clavepara escoger adecuadamente las variables y los procesos de abstraccin. El flujo de informacindesde la puesta de objetivos hasta la toma de decisiones y realimentacin es extenso, pero estvinculado siempre, por lo que la sistematizacin y tratamiento ordenado de los datos en cada nivel(monitoreo interno) son actividades que no se deben omitir.

La recopilacin general de informacin, tecnologas y actividades tiene limitantes en cuanto alnivel de detalle para la seleccin de alternativas especficas y metodologa de uso para un proyectoparticular. Por otro lado, ofrece la posibilidad de explorar y agrupar conocimiento para extraerconclusiones globales que desde la ejecucin de proyectos especficos no son evidentes, en estetrabajo particular las siguientes:

- Las tecnologas de percepcin remota han tenido un gran crecimiento en la ecologa aplicaday es un campo que sigue en investigacin para el desarrollo de nuevas aplicaciones.

- Al integrar equipos interdisciplinarios, las aplicaciones fruto del anlisis e interpretacin dedatos ecolgicos se enriquecen.

- Existe un campo abierto para el desarrollo de sistemas inteligentes en la toma de decisionesde Gestin y Manejo Ecolgico.

En Colombia se tiene planteado un sistema ordenado para el manejo de datos ambientales, cuyainformacin se concentra principalmente en investigacin de los institutos adscritos al Ministeriode Medio Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Con la exploracin de las aplicaciones delmonitoreo ecolgico en el mundo se observa que el pas apenas empieza a hacer uso de tecnologasprometedoras como la percepcin remota y la biotelemetra, que podran ser claves en la proteccinde la biodiversidad y su aprovechamiento adecuado para la generacin de valor.

31

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