Análisis de Cobertura Vegetal y Modelo de Red Hídrica en la Cuenca del Lago de Pátzcuaro mediante Herramientas SIG

Introducción

La cuenca del Lago de Pátzcuaro, ubicada en el estado de Michoacán, México, representa una región de gran importancia ecológica, cultural y económica. Este cuerpo de agua dulce, junto con su entorno, ha sido históricamente afectado por procesos de deforestación, expansión urbana, agricultura intensiva y cambio climático, los cuales han alterado tanto la cobertura vegetal como el balance hídrico de la zona.

Este proyecto tiene como objetivo analizar la red hídrica derivada de un modelo digital del terreno (DEM), junto con el estado actual de la vegetación y el uso del suelo mediante imágenes satelitales. A través de la aplicación de técnicas SIG y teledetección, como el cálculo del NDVI (Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada) y la clasificación supervisada de coberturas, se busca identificar las áreas de vegetación sana, evaluar los cambios de cobertura y analizar su distribución respecto a las pendientes del terreno y las redes hídricas.

La integración de estos modelos permitirá construir un mapa temático detallado de la cobertura vegetal sana y un análisis de su distribución en relación con las condiciones topográficas e hídricas de la cuenca, proporcionando insumos fundamentales para una mejor gestión ambiental, conservación de recursos y planeación territorial sustentable.

Antecedentes

El Lago de Pátzcuaro y su cuenca han sido objeto de múltiples estudios por su importancia ambiental, cultural e histórica. Esta cuenca se ubica en la región central del estado de Michoacán y abarca aproximadamente 929 km². El lago es considerado uno de los más importantes del altiplano mexicano y ha sido reconocido como un ecosistema prioritario por la Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO, 2010).

Desde hace varias décadas, la cuenca ha enfrentado un proceso de deterioro ambiental progresivo. Entre los factores más importantes se encuentran la deforestación, la erosión de suelos, el crecimiento urbano desordenado y la expansión de la agricultura intensiva. Todo ello ha generado pérdida de cobertura vegetal, colmatación del lago y alteraciones significativas en el comportamiento de su red hídrica superficial (INEGI, 2016).

Las técnicas de análisis espacial mediante Sistemas de Información Geográfica (SIG) y el uso de imágenes satelitales han demostrado ser herramientas efectivas para evaluar cambios en la cobertura del suelo, así como para modelar redes hídricas y patrones de escurrimiento. A partir de curvas de nivel y modelos digitales de elevación (DEM), es posible derivar flujos superficiales y delimitar redes hídricas en una cuenca hidrográfica (Rodríguez & Mendoza, 2019).

Por otra parte, el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) ha sido ampliamente utilizado para estimar la cantidad y salud de la vegetación. Este índice permite diferenciar zonas con vegetación sana, áreas degradadas y suelos desnudos, lo que lo convierte en una herramienta clave para la evaluación ambiental (Huete et al., 2002). La comparación entre los resultados del NDVI y las coberturas derivadas de imágenes satelitales facilita la identificación de las zonas con potencial ecológico dentro de una cuenca.

Además, conocer las pendientes en áreas donde aún existe vegetación sana ayuda a identificar zonas vulnerables a procesos erosivos, lo que puede orientar estrategias de conservación y reforestación. En este sentido, el estudio de la cuenca del Lago de Pátzcuaro no solo ofrece una oportunidad para aplicar conocimientos técnicos, sino que también tiene un fuerte componente socioambiental enfocado en la recuperación y manejo sustentable del territorio.

Objetivos

1. Modelar la red hídrica de la cuenca del Lago de Pátzcuaro utilizando una capa de curvas de nivel y un Modelo de Elevación Digital (DEM).
2. Clasificar la cobertura del suelo mediante el análisis de imágenes satelitales, diferenciando zonas urbanas, agrícolas, forestales y cuerpos de agua.
3. Calcular el NDVI para determinar la distribución de la vegetación sana dentro de la cuenca.

Descripción del área de estudio

La cuenca del Lago de Pátzcuaro se localiza en el estado de Michoacán, al suroeste de la ciudad de Morelia. Esta cuenca endorreica forma parte de la región hidrológica Lerma–Santiago y abarca aproximadamente 929 km². Su centro hidrológico es el Lago de Pátzcuaro, uno de los cuerpos de agua más emblemáticos y culturalmente significativos del país.

Las coordenadas aproximadas del centro del lago son 19°30′N y 101°37′O. La altitud promedio de la cuenca oscila entre 1,900 y 2,800 metros sobre el nivel del mar, lo que le otorga un clima templado subhúmedo, con lluvias principalmente en verano.

El relieve de la cuenca presenta variaciones significativas, con colinas, valles y planicies lacustres. Estas características, combinadas con la cobertura vegetal y el uso actual del suelo, hacen de la cuenca un espacio complejo desde el punto de vista ambiental e hidrológico. Entre sus principales usos de suelo se encuentran: áreas agrícolas, zonas forestales, asentamientos humanos y áreas degradadas por erosión.

Administrativamente, la cuenca se distribuye entre varios municipios, destacando Pátzcuaro, Tzintzuntzan, Erongarícuaro, Salvador Escalante y Quiroga. La presencia de comunidades indígenas purépechas y su fuerte relación cultural con el lago le confieren una dimensión social significativa que debe ser considerada en todo análisis territorial.

Desde el punto de vista ambiental, la cuenca presenta problemáticas asociadas a la pérdida de cobertura vegetal, contaminación por descargas domésticas y agrícolas, así como sedimentación acelerada. Estos factores impactan la dinámica de la red hídrica superficial y la calidad del agua del lago.

Dada su importancia ecológica, cultural y su grado de vulnerabilidad ambiental, la cuenca del Lago de Pátzcuaro representa un área estratégica para el desarrollo de modelos de análisis hidrológico, evaluación de coberturas, y planificación territorial sostenible.

Diagrama de Flujo

Modelamiento Hídrico 

Se recopilaron las curvas de nivel a través de la página del INEGI y se intersecaron con la zona de interés.

Se generó el Modelo Digital de Elevación (DEM) a partir de la interpolación de curvas de nivel mediante la herramienta 'Topo to Raster', con el objetivo de obtener una superficie continua y precisa del relieve de la cuenca.

Se obtuvo una imagen satelital de alta resolución correspondiente al área de estudio, con el propósito de realizar análisis multiespectral, identificación de coberturas del suelo y monitoreo de condiciones superficiales dentro de la cuenca.

Procesamiento de datos

Modelo de construcción de red hídrica

Análisis de cobertura vegetal y clasificación del uso de suelo

Se accedió al portal del Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS EarthExplorer) para delimitar y descargar el área correspondiente a la Cuenca del Lago de Pátzcuaro. Se seleccionaron imágenes satelitales del satélite Landsat 8, considerando criterios de resolución espacial, cobertura nubosa y fecha de adquisición adecuada para el análisis.

Se llevó a cabo la extracción por máscara de la imagen satelital, utilizando como límite la delimitación vectorial de la Cuenca del Lago de Pátzcuaro. Posteriormente, se reproyectó la imagen al sistema de coordenadas UTM Zona 14N con datum WGS84.

Se empleó la herramienta "Calculadora Raster" en el software SIG para calcular el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI), utilizando las siguientes bandas espectrales de la imagen satelital:

B5.TIF: Banda correspondiente al Infrarrojo Cercano (NIR).

B4.TIF: Banda correspondiente a la Red (Red).

Clasificación de coberturas

Toma de muestras para la clasificación:

Creación de la matriz de confusión:

• Se generó un nuevo shapefile en el que se tomarían puntos representativos para cada clase de la clasificación.
• Se asignaron un total de 50 puntos por clase en el shapefile para realizar la validación.

Extracción de valores para los puntos:

• Se utilizó la herramienta "Extract Values to Points" para asociar los valores raster a los puntos de muestreo en el shapefile.

Conteo de coincidencias:

• Para realizar el conteo de coincidencias entre las clases clasificadas y las clases reales, se empleó la herramienta "Frequency", generando una tabla denominada tbfrecuencia, que contiene las frecuencias de cada clase en el área de estudio.

Conversión de la tabla a formato matricial:

• Se aplicó la herramienta "Pivot Table" para convertir la tabla de frecuencias en una tabla matricial denominada tbmatriz, la cual organiza las coincidencias por clases.

Exportación y modificación en Excel:

• La tabla tbmatriz se exportó a un formato dbase table y se abrió en Excel para realizar ajustes en su formato y presentación.

Resultado final:

• Como resultado de este proceso, se obtuvo la matriz de confusión, la cual fue analizada y se determinó que la clasificación tiene una precisión del 96.00%.

Resultados

Mapa de la Red Hídrica 

A través de la red hídrica se representan los cursos de agua de una cuenca hidrográfica, abarcando ríos, quebradas y otros cuerpos de agua superficiales. Esta representación facilita el análisis de la dinámica del drenaje dentro de la cuenca y su interacción con el relieve. Al estudiar la red hídrica, se pueden identificar patrones de escorrentía, zonas de acumulación de agua, y comprender mejor los procesos de erosión y sedimentación. Además, permite realizar simulaciones de flujos de agua, lo que es crucial para la gestión de recursos hídricos, la prevención de inundaciones y la planificación del uso del suelo.

Mapa de Sombras

Este modelo identifica las diferencias en la cobertura de sombras proyectadas a lo largo del terreno durante dos horas clave (08:00 am y 05:00 pm). A través de este análisis, se puede observar cómo las características topográficas, tales como pendientes y orientación, afectan la incidencia de la luz solar en diferentes momentos del día. Este enfoque proporciona información crucial para estudiar cómo el relieve influye en la distribución de sombras y la exposición solar, permitiendo una comprensión más profunda de la dinámica solar en la cuenca. 

Mapa de análisis cut-fill

Este modelo identifica las variaciones en la cobertura de sombras proyectadas sobre el terreno en dos horas clave. Mediante este análisis, se puede determinar cómo las características topográficas, como la pendiente y la orientación del relieve, afectan la incidencia de la luz solar en diferentes momentos del día. Esta información es esencial para el estudio del comportamiento solar en la cuenca, ya que permite observar cómo las variaciones del terreno influyen en la distribución de las sombras y la exposición solar.

Mapa de Pendientes

El análisis de pendientes de la cuenca del lago Pátzcuaro revela que el tipo de pendiente predominante es el plano, lo que representa la mayor extensión dentro de la cuenca. Las categorías restantes, como casi plano, suavemente inclinado, moderadamente escarpado y escarpado, muestran distribuciones intermedias que reflejan la diversidad topográfica de la cuenca. Este análisis proporciona información clave para identificar las áreas más adecuadas para actividades humanas, como la agricultura o la construcción, y aquellas que presentan limitaciones significativas debido a la inclinación del terreno, como la dificultad para la construcción de infraestructuras o el riesgo de erosión en áreas con pendientes más pronunciadas.

Mapa de visibilidad

El Mapa de Visibilidad presenta las áreas de la cuenca del lago de Pátzcuaro que son visibles desde dos puntos estratégicos seleccionados como miradores. Este análisis se realiza utilizando un modelo digital de elevación (DEM), que permite evaluar las características topográficas del terreno. A través de este modelo, se identifican las zonas con línea de visión directa desde cada mirador, considerando las variaciones en la elevación del terreno que podrían bloquear o permitir la visualización de diferentes áreas de la cuenca. Este tipo de análisis es útil para la planificación de miradores turísticos, el diseño de infraestructuras o la gestión de áreas protegidas, ya que permite conocer las vistas accesibles desde ubicaciones específicas.

Mapa de densidad de Kernel

El Mapa de Densidad de Kernel muestra la concentración de puntos representativos de población dentro de la cuenca del río Jequetepeque. Este análisis utiliza un algoritmo que calcula la densidad de población en diferentes áreas, permitiendo identificar los patrones de distribución poblacional en la cuenca. El mapa es una herramienta útil para la planificación territorial, ya que permite reconocer las zonas con mayor concentración poblacional y aquellas con menor presencia.

Mapa de análisis NDVI

El Mapa de NDVI (Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada) muestra la distribución y la salud de la vegetación en la cuenca del río Jequetepeque. Utilizando datos satelitales, el NDVI permite identificar las áreas con alta y baja productividad vegetal, proporcionando información sobre el vigor y estado de la vegetación. Este mapa es esencial para evaluar áreas de degradación ambiental, ya que resalta las zonas donde la vegetación está deteriorada o ausente.

Mapa de clasificación

Análisis:

• La clase predominante es "sin vegetación", con un área de 49,539.44 ha, lo que representa una gran parte de la cuenca.
• La vegetación ocupa 35,450.46 ha, evidenciando una cobertura vegetal significativa, aunque menor en comparación con las áreas sin vegetación.
• Las áreas de agua abarcan 7,016.26 ha, mostrando la presencia de cuerpos de agua en la cuenca, aunque no representan una proporción mayor del área.
• Las sombras cubren 366.66 ha, lo que refleja las áreas donde la cobertura de vegetación o el relieve proyectan sombra en el terreno.
• Las nubes ocupan un área de 202.61 ha, lo que indica la presencia de áreas nubosas que afectan la visibilidad del suelo en las imágenes satelitales utilizadas.
• Este mapa, junto con la tabla asociada, ofrece una visión detallada de la distribución espacial de las clases de cobertura en la cuenca, siendo una herramienta crucial para el monitoreo de cambios en el uso del suelo, la gestión de recursos naturales y la planificación territorial en la región.

Mapa de pendientes y Coberturas

Este mapa presenta la superposición de dos análisis clave: la cobertura vegetal sana, identificada mediante el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI) con un rango ≥ 0.33, y las categorías de pendientes dentro de la cuenca de Lago de Pátzcuaro. La combinación de estas capas permite obtener una visión integral de las áreas con vegetación saludable en distintos rangos de pendiente, lo que resulta fundamental para evaluar su potencial uso, el manejo sostenible de los recursos y los riesgos asociados.

El análisis de la pendiente en conjunto con el NDVI proporciona información crítica para la planificación territorial, ya que identifica las zonas que podrían ser más aptas para actividades agrícolas, forestales o de conservación, y aquellas con mayor riesgo debido a la topografía escarpada que podría generar problemas de erosión o deslizamientos. Este enfoque es clave para desarrollar estrategias de manejo sostenible adaptadas a las condiciones específicas de la cuenca, ayudando a mitigar los impactos ambientales y a optimizar los recursos naturales de manera eficiente.

Conclusiones 

La clasificación supervisada permitió identificar las principales clases de cobertura y uso del suelo en la cuenca del lago de Pátzcuaro, destacando que la mayor proporción corresponde a áreas sin vegetación, lo que evidencia una alta incidencia de suelos desnudos y posibles zonas degradadas en la región. Este hallazgo subraya la necesidad de tomar medidas para mitigar la degradación del suelo y mejorar la cobertura vegetal en las áreas críticas.

Los análisis derivados, como el NDVI, las pendientes y la red hídrica, revelaron la influencia de las características topográficas en la distribución de la vegetación sana y en la dinámica del flujo hídrico dentro de la cuenca. La predominancia de pendientes moderadas y escarpadas indica la importancia de considerar estas características geomorfológicas en la gestión de los recursos naturales de la cuenca, ya que afectan tanto el manejo del agua como la posible erosión del suelo y la conservación de ecosistemas.

La generación de modelos derivados y mapas temáticos demuestra que las herramientas de Sistemas de Información Geográfica (SIG) son fundamentales para evaluar y comprender la dinámica ambiental y territorial de la cuenca del lago de Pátzcuaro. Los resultados obtenidos son clave para planificar el uso sostenible del territorio y diseñar estrategias de manejo adecuadas, basadas en las características naturales de la cuenca.

Recomendaciones

1. Utilizar imágenes satelitales con menor nubosidad y seleccionar fechas estratégicas para garantizar mayor precisión en los análisis, especialmente en el cálculo del NDVI y la clasificación supervisada. Esto es particularmente relevante para obtener datos más claros sobre la vegetación y la distribución del uso del suelo en la cuenca del lago de Pátzcuaro, donde las condiciones climáticas pueden variar rápidamente.
2. Ampliar las muestras de entrenamiento para cada clase y realizar una validación cruzada más exhaustiva, con el fin de mejorar la precisión de la clasificación y reducir los errores entre clases similares. Este proceso mejoraría la exactitud de la identificación de las áreas de vegetación, cuerpos de agua y zonas sin vegetación, ayudando a comprender mejor las dinámicas del paisaje en la cuenca.
3. Incorporar flujos de trabajo automatizados mediante el uso de ModelBuilder o scripts en Python para reducir los tiempos de procesamiento en pasos repetitivos, como la generación de modelos derivados y la extracción de valores para validación. Esta automatización no solo aumentaría la eficiencia, sino que también mejoraría la reproducibilidad del procedimiento, permitiendo realizar análisis más rápidos y consistentes a lo largo del tiempo, lo que sería útil para monitorear cambios a largo plazo en la cuenca del lago de Pátzcuaro.

Bibliografía

• Comisión Nacional del Agua (CONAGUA). (2018). Estudio de la cuenca del Lago de Pátzcuaro. Ciudad de México, México.
• Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI). (2021). Modelo de Elevación Digital y cartografía del Lago de Pátzcuaro. Recuperado de www.inegi.org.mx
• Mendoza, J., Ramírez, L., & Torres, A. (2020). Impacto del cambio de uso de suelo en la biodiversidad del Lago de Pátzcuaro. Revista de Estudios Ambientales, 15(2), 45-60.
• United States Geological Survey (USGS). (2023). Landsat 8 Satellite Data. Recuperado de https://www.usgs.gov