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SIGICU- SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA WEB DE ISLAS DE CALOR
URBANAS
Autores:
Liceth Valero Jiménez
Vladimir Torres Guerrero
Trabajo de grado en modalidad de monografía presentado como requisito parcial para
optar por el título de especialista en Sistemas de Información Geográfica
Director
Ing. Salomón Ramírez
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Facultad de Ingeniería
Especialización en Sistemas de Información Geográfica
Bogotá D.C., Colombia
Mayo de 2018
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Tabla de contenido
1 Introducción ............................................................................................................................. 3
2 Problema .................................................................................................................................. 5
3 Justificación ............................................................................................................................. 7
4 Alcance .................................................................................................................................... 9
5 Objetivos ................................................................................................................................ 10
5.1 Objetivo general ............................................................................................................. 10
5.2 Objetivos específicos...................................................................................................... 10
6 Estado del arte ....................................................................................................................... 11
6.1 Antecedentes .................................................................................................................. 11
6.2 Marco Teórico ................................................................................................................ 12
7 Metodología ........................................................................................................................... 15
8 Resultados .............................................................................................................................. 17
8.1 Fase I: Análisis ............................................................................................................... 17
8.2 Fase II: Diseño ............................................................................................................... 19
8.3 Fase III: Implementación ............................................................................................... 21
8.3.1 Integración .............................................................................................................. 22
8.3.2 Configuración ......................................................................................................... 22
8.3.3 Personalización ....................................................................................................... 23
8.4 Fase IV: Evaluación ....................................................................................................... 24
8.4.1 Usabilidad ............................................................................................................... 24
9 Conclusiones .......................................................................................................................... 29
REFERENCIAS .......................................................................................................................... 31
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1 Introducción
La contaminación atmosférica es una problemática en crecimiento que, asociada con la
formación de islas de calor urbano -en adelante ICU- generadas por la distribución de las
estructuras en las ciudades y su mobiliario, representa riesgo para el desarrollo sustentable -por el
deterioro y agotamiento de los recursos naturales-, genera perturbación para los ecosistemas que
sustentan las dinámicas de especies silvestres de fauna y flora, y puede generar afectación a la
salud de las personas.
Por este motivo, se busca en el desarrollo de este trabajo de monografía, poder generar una
herramienta que permita identificar la generación de islas de calor urbano en la ciudad de Bogotá
D.C. -denominado Sistema de Información Geográfica de Islas de Calor Urbano SIGICU-, la cual
será una aplicación Web de fácil acceso y debe permitir visualizar, consultar y analizar las
variables de interés, para la toma de decisiones e identificación de los riesgos generados al medio
ambiente y la salud de las personas.
A nivel nacional y local, no se encuentran herramientas que permitan visualizar la formación
de islas de calor urbano; sin embargo, se identifican trabajos académicos que permiten validar
diferentes variables donde se evidencia su formación y análisis de estás, para verificar los factores
de riesgo.
Para el desarrollo de la monografía se establecerá una metodología basada en cuatro fases para
la ejecución de la herramienta SIGICU, siendo la fase I Análisis, fase II Diseño, fase III
Implementación y fase IV Evaluación, mediante el uso de una metodología ágil, siempre enfocada
al desarrollo mediante herramientas libres tales como QGIS, PostGIS, GeoServer y Heron.
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Para el desarrollo de la herramienta se obtienen los requerimientos de Software, arquitectura
y diseño del proyecto. En el proceso se genera la descripción general del sistema, las reglas de
negocio, la definición de los actores, la especificación de los requerimientos de software, los casos
de uso, la definición de términos del desarrollo del software, vistas de arquitectura, limitaciones
de la arquitectura, el tamaño, desempeño y calidad del sistema, los modelos de dominio,
interacción, clases, paquetes y persistencia, y las especificaciones suplementarias.
Se consideraron imágenes LandSat – formato GeoTiff-, archivos CSV y shapefiles, a partir
de las cuales se generaron las capas por medio de las herramientas de QGIS, seguida de una
conexión PostGIS - GeoServer y la publicación final para que el usuario pueda visualizar de
acuerdo con sus necesidades las áreas donde se presentan los mayores índices de Islas de calor
Urbano –ICU- y contaminantes.
Esta aplicación Web está dirigida a diferentes tipos de usuarios con nociones de uso de
información geográfica, para analizar la información dispuesta y poder tomar decisiones.
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2 Problema
Las ICU se presentan en lugares donde se concentran altos niveles de temperatura asociados
a la acumulación de radiación solar sobre las superficies, que perduran en periodos nocturnos. El
modelo descrito por Oke, T. R. (1981), considera como variables para la identificación de estas la
ubicación, los materiales empleados y las dimensiones de las edificaciones y vías en los centros
poblados, ya que estas interfieren en la cantidad de luz que ingresa a las superficies y condiciona
el tiempo de contacto, originan variaciones en la absorción de la radiación solar y puede obtener
mayores o menores áreas de retención o liberación de calor.
La atmosfera se dinamiza siguiendo las variaciones de la temperatura, desplazando masas de
aire frías hacia las áreas calientes y por el efecto del proceso de convección son impulsadas
verticalmente, trayendo un movimiento constante del flujo del aire. En la ciudad de Bogotá D.C.,
se presentan altos niveles de contaminación atmosférica, generadas por diferentes fuentes. Las
principales variables medidas a través de la Red de Calidad de Aire de Bogotá son: monóxido de
carbono, compuestos nitrogenados, sulfatados, ozono, material particulado de diámetro
aerodinámico del orden de 10 a 2,5 micras; estos contaminantes afectan la salud humana, se ha
relacionado sus efectos con dolores de cabeza intenso, dificultades del sistema respiratorio y del
sistema nervioso, lo que conlleva al deterioro de la calidad de vida de los habitantes.
En la ciudad se reconocen diferentes zonas de producción de emisiones, principalmente donde
se realizan procesos manufactureros en zonas industriales, zonas francas, canteras, ladrilleras,
incineradoras y zonas clandestinas de producción industrial en general, estas se encuentran
distribuidas en diferentes localidades de la ciudad.
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Por otra parte, hay presencia de contaminantes de fuentes móviles, estas son emitidas por los
vehículos que emplean combustibles fósiles y promueven sustancias tóxicas similares a las
producidas por las fuentes fijas. En cercanía a vías primarias se puede percibir la contaminación
atmosférica producida por estas fuentes visibles sobre los tubos de escape, la cual genera efectos
adversos sobre la salud de las personas, tal como afectación del sistema respiratorio, áreas blandas
del cuerpo y el sistema nervioso.
Los contaminantes descritos proporcionan afectación a los ecosistemas, el medio ambiente y
los recursos naturales; por el desplazamiento de estos a través de variables climatológicas, cómo
el ciclo del agua –lluvia, evaporación, precipitación-, la dirección y velocidad del viento, humedad,
horas efectivas de radiación solar directa e indirecta, la magnitud de estas, entre otras.
Debido a la urbanización sin consideración en la planeación de los efectos de la posición,
materiales, extensión, las variables climatológicas y ambientales, se forman variaciones sobre los
climas y microclimas de la ciudad y de los ecosistemas.
Los resultados serán dispuestos en un visor geográfico con las capas determinadas del ICU y
concentración de contaminantes, con el ánimo de generar toma de decisiones sustentadas por parte
de las autoridades de planeación urbanística, de salud y medio ambiente, además de la
concientización de la población en general.
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3 Justificación
Los fenómenos descritos en el planteamiento del problema son objeto de modelación, esta
permitiría identificar patrones de comportamiento de los movimientos de masas de aire y los
contaminantes. Para esto, se contempla la implementación de un visor geográfico a través de una
plataforma Web, que permita divulgar los resultados obtenidos, con el ánimo de generar toma de
decisiones sustentadas por parte de las autoridades de planeación urbanística, de salud y medio
ambiente.
Los actores involucrados en la problemática son los ecosistemas, los recursos naturales y
las personas, estos se ven afectados por cambios en las dinámicas de salud, alimentación, nicho o
vivienda. Se hace necesario determinar los patrones de asentamientos de contaminación, ya que
son importantes para la puesta en marcha de estrategias de adaptación al cambio climático y la
incorporación en el plan de ordenamiento territorial, donde se puede insertar una planeación
sustentable y sostenible de la urbanización de la ciudad y la inserción de arquitecturas verdes que
estén acordes a las condiciones climatológicas y ambientales.
En el caso de las afectaciones a la salud humana, pueden ser identificados patrones de
comportamiento de sustancias tóxicas, que las autoridades de salud puedan contrastar con los
patrones epidemiológicos de la ciudad. De igual manera, se puede identificar a través de los
resultados de la modelación y la representación de estos, cual es el comportamiento de dichos
contaminantes, donde el usuario puede determinar y analizar de acuerdo a la visualización de la
información, el asentamiento sobre otros recursos naturales y la generación de cambios en los
ciclos bio-geológicos, cómo el ciclo del agua, fosforo, azufre, entre otros por parte de las
autoridades ambientales.
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El aumento en la temperatura produce incremento en la evaporación, lo que afecta los ciclos
enunciados con anterioridad, con este efecto se disponen de dinámicas diferentes en la atmosfera.
Dichas sustancias, pueden disponerse en el suelo y otras estructuras, que con las precipitaciones
pueden ser arrastradas hacia las fuentes de agua superficial y subterránea. El asentamiento de
dichos contaminantes en las fuentes hídricas, como un ejemplo de la afectación de los ecosistemas,
ocasionan la disminución de oxígeno disuelto que puede contribuir a la disminución de
poblaciones de especies acuáticas, interfiriendo en la cadena trófica.
Adicionalmente, la incorporación de agentes contaminantes al sistema de alcantarillado
produce mayor esfuerzo en la descontaminación de dichas aguas; la cercanía de islas de calor
urbano, a sitios de tratamiento de aguas residuales, afectan el tratamiento y los procesos diseñados
para la descontaminación de las aguas, ya que aumentan la concentración de las sustancias y no
permiten la introducción de luz solar al cuerpo de agua, presentando procesos anaerobios y
cambios en dicho tratamiento.
Los estudios realizados con anterioridad a la presente investigación son realizados a través
del análisis de imágenes satelitales, las cuales proporcionan información sobre los cambios de
temperatura, pero no la visualización de la formación de islas de calor. Por esta razón es necesario
la aplicación de modelos y representaciones geográficas, que tengan como sustento los valores
monitoreados por la red de calidad de aire de la ciudad, para identificar, prevenir, mitigar, corregir
y compensar los efectos asociadas a este fenómeno.
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4 Alcance
La aplicación Web SIGICU, presenta Islas de Calor Urbano, a partir de las variables que
interfieren en su formación, con el objetivo de definir las zonas donde se presenta mayor
generación de acumulación de calor. El alcance espacial de la aplicación comprende la ciudad de
Bogotá, particularmente la zona urbana de la ciudad, sin embargo, el ICU se calcula para toda la
ciudad con la intención de abordar un mejor análisis de este fenómeno a partir del contraste que
presentan las dos áreas.
Los datos empleados para el análisis son de tipo abierto, provenientes de organismos del
sector público, por tanto, dan cuenta de la situación actual. Para el uso del visor en años posteriores,
se deben considerar cambios principalmente en materia de infraestructura vial, en lo concerniente
al análisis espacial.
A nivel técnico y temporal se propone que la aplicación Web muestre el ICU de la ciudad
de Bogotá -zona rural y centro poblado-, este incluye una capa de los contaminantes como
monóxido de carbono, monóxido y dióxido de nitrógeno, ozono, material particulado menor a 10,
y 2,5 μm, y dióxido de azufre del ponderado anual, a través de la distribución del grado de
contaminación de las estaciones de calidad de aire de la ciudad.
Las capas suministradas, permiten al usuario visualizar las zonas con acumulación de ICU
y contaminantes ayudando a la toma de decisiones. La correlación de datos de contaminantes y las
islas de calor, puede ser desarrollada a través de la aplicación del algoritmo Oke, T. R. (1981), sin
embargo este no es objeto del presente desarrollo, se presenta la información de estos datos para
realizar un contraste visual de la información por parte del usuario.
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5 Objetivos
5.1 Objetivo general
Implementar una aplicación Web, de fácil acceso que permita visualizar, consultar y analizar
la formación de Islas de calor urbano y la concentración de contaminantes en la ciudad de Bogotá,
para la toma de decisiones en las zonas de mayor afectación del fenómeno.
5.2 Objetivos específicos
Determinar los requerimientos y propiedades del sistema, para cada una de las etapas, por
medio de una visión completa y rigurosa de los requerimientos, eliminando la imprecisión
en la medida de lo posible.
Diseñar, desarrollar, validar y ajustar el sistema de interfaz de usuario, el modelo de
componentes del sistema y las capas de visualización.
Implementar el desarrollo de la aplicación Web con herramientas de software libre o de
código abierto, para la interoperabilidad y comunicación entre tecnologías de Sistemas de
Información Geográfica.
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6 Estado del arte
6.1 Antecedentes
Se ha identificado aplicaciones Web a nivel mundial, para el tema de contaminantes, como
ICA AIRE, el cual identifica la calidad de aire, a través de una interfaz amigable, para periodos de
1 hora antes de la consulta y presenta la información de contaminación histórica, además de una
jerarquización de dicha información por clases.
Los visores geográficos para contaminación atmosférica en plataformas Web son
numerosos, como ejemplo se presenta el visor denominado Air Visual Earth, una herramienta
comunitaria donde se presentan en tiempo real, la información de dirección del viento y la
contaminación registrada en diferentes estaciones a nivel mundial.
Otra herramienta de este tipo identificada, es el visor global Ambient Air Pollution,
presentado por la World Health Organization, estos cuentan con un visor geográfico con cobertura
mundial, de la contaminación atmosférica relacionada con la afectación a la salud humana, a través
de una jerarquización de la concentración promedio de la variable material particulado de diámetro
aerodinámico menor a 2.5 micras, este tamaño de material es fácilmente respirable para los seres
humanos, de ahí su relación con la salud.
En Colombia se han dispuesto cómo un eje de estudio a nivel gubernamental, la presentación
de la información de contaminación ambiental y atmosférica, en visores geográficos tales como,
el geoportal del IDEAM, geoportal SIAM, geovisor de Parques Naturales Nacionales, entre otros.
La implementación de las herramientas de visualización de información mencionadas,
contribuyen a la identificación de factores ambientales, con el cual, las entidades públicas y
privadas pueden tomar decisiones, para generar estrategias de desarrollo que generan el
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aprovechamiento de los recursos naturales, la conservación, preservación de ecosistemas y el
medio ambiente.
La ciudad de Bogotá, cuenta con su propia Red de Calidad de Aire, los datos registrados por
estas estaciones son presentados a través de visores geográficos, tal como, la presentada por el
Observatorio Ambiental Distrital denominada Visor RMCAB, en el cual se identifican las
estaciones distribuidas en la ciudad, donde es posible observar los valores de la última medición
realizada - información horaria disponible - y se puede desplegar la información requerida a través
del paso sobre la estación.
La Secretaria Distrital de Ambiente presenta de igual manera la caracterización de los
recursos naturales en su área de jurisdicción y los datos de información registrada a través de sus
estaciones de monitoreo con la herramienta Mapa IBOCA. Estos datos son presentados a través de
un visor geográfico, el cual cuenta con una jerarquización de niveles de las diferentes variables de
interés.
Una vez realizada la búsqueda sobre herramientas que presenten modelos relacionados con
la formación de islas de calor urbano, modelación de contaminantes atmosféricos y relaciones
entre estos, se puede concluir que ni en Colombia, ni en la ciudad de Bogotá se han determinado
en línea, herramientas geográficas que permitan visualizar el análisis de los datos, modelaciones y
relaciones entre estos.
6.2 Marco Teórico
El término Isla de calor es un fenómeno de origen térmico que consiste en la acumulación
de calor en áreas urbanas a lo largo de las horas de radiación, y lo liberan durante la noche
generando temperaturas promedio más altas que las zonas rurales que las rodea (Moreno, 2010).
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Este fenómeno se atribuye a diversos factores, entre ellos la construcción con materiales que
absorben y acumulan calor, la reducción de la evapotranspiración debido a la escasa vegetación,
las superficies de baja reflectancia, las reflexiones múltiples entre los edificios, sistemas de
climatización, emisión de calor antropogénico y de contaminantes atmosféricos, la obstrucción de
los movimientos de aire por la edificación, entre otros.
La isla de calor urbano tiene una asociación importante con la contaminación atmosférica;
ya que las altas concentraciones de contaminantes en el aire no permiten que la radiación emitida
por la superficie de la ciudad emerja hacia la atmósfera, intensificando las diferencias térmicas de
la ciudad, además de favorecer la formación de ozono troposférico y también la formación del
smog fotoquímico, trayendo consigo consecuencias negativas en la salud humana al igual que a
los ecosistemas (Rivarola, 2012).
La contaminación atmosférica es la presencia de sustancias en una cantidad que implique
molestias o riesgo para la salud de las personas y los demás seres vivos. La mayor parte de la
contaminación actual se debe a procesos industriales, a la quema de combustibles fósiles, entre
otras actividades que emiten al aire gases nocivos como los óxidos de azufre y los de nitrógeno, el
amoníaco, el metano, el dióxido de carbono (CO2), el monóxido de carbono y los
clorofluorocarbonos (CFC) y partículas sólidas o líquidas como los humos y las cenizas generados
en los combustibles, los aerosoles y nieblas que escapan de ciertas industrias químicas, el polvo
de minas, entre otros; generando grandes impactos en el clima, la biosfera, la salud de las personas
y ecosistemas, factores en los que se ha planteado la normatividad colombiana (Minambiente,
2018).
La estructura urbana de Bogotá, está dada por el grado de desarrollo económico y el
incremento de la concentración urbana, que ha desarrollado a través de los años, organizada de
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manera concéntrica generando un desequilibrio en el uso del suelo urbano, con nuevas estructuras,
que originan una desarticulación en los flujos de aire, contribuyendo en la contaminación de la
ciudad de manera significante ya que éstos no pasan arrastrando los gases contaminantes, sino que
giran alrededor de ella, formando remolinos en diferentes sectores de la ciudad, para luego
estancarse en la atmósfera de Bogotá (IDEAM, 2017).
La modelación es una herramienta útil para describir, analizar y evaluar sistemas
complejos, conformado por modelos físicos que son representaciones a pequeña a escala de la
dispersión atmosférica y por modelos numéricos o matemáticos basados en determinados sistemas
conceptuales siguiendo principios fisicoquímicos, e implementados en programas de ordenador.
Un modelo matemático de calidad del aire es un sistema por el cual se relacionan las
emisiones de contaminantes emitidos a la atmósfera con las concentraciones de estos
contaminantes en el aire a nivel del suelo y la relación con islas de calor urbano, mediante la
aplicación de leyes físicas y químicas (Casas, 2016).
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7 Metodología
Para el desarrollo de la aplicación Web se requirió la recolección y clasificación de los
parámetros necesarios en la generación de islas de calor urbanas, los datos corresponden
principalmente a información satelital disponible en el Servicio Geológico de los Estados Unidos
(USGS por sus siglas en ingles) y los datos de contaminantes son extraídos de la Red de Monitoreo
de Calidad del Aire de Bogotá – RMCAB.
Después de explorar la información, se procedió a la elaboración del modelamiento,
mediante software, a través de la determinación del Índice de Vegetación de Diferencia
Normalizado –En adelante NDVI-, el Índice de Agua de Diferencia Normalizado – En adelante
NDWI-, el Índice de Construcción de Diferencia Normalizado -En adelante NDBI- y la
determinación de concentración de contaminantes. Posteriormente se realizó el análisis e
interpretación de la información obtenida a partir de las capas generadas en conjunto con la
información geográfica.
La implementación del sistema está basada en el reúso y personalización de componentes
de software existentes, posteriormente se evalúa la usabilidad de la aplicación Web, teniendo en
cuenta los siguientes criterios: Aprendizaje, Operatividad, Satisfacción, Contenido, Eficiencia y
Eficacia.
Cada una de las fases del proyecto se muestra en la Figura 1, usando la metodología
SCRUM, que se ajusta a este tipo de proyectos de gestión ágil, en el desarrollo de la aplicación
Web de fácil acceso e interpretación para la toma de decisiones.
La fase uno contempla el proceso de análisis de los requerimientos de software a través de
la colección de requerimientos funcionales y no funcionales, se definen los objetivos generales y
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específicos de investigación que se plantean para el diseño y generación del desarrollo, se
identifican los procesos cognitivos y actividades interactivas que permiten estimular en los
usuarios un aprendizaje significativo.
Figura 1. Metodología de desarrollo
Fuente: Elaboración propia
La fase de diseño permite generar un esquema completo del proceso implementado, por
medio de la generación de fichas generales y técnicas, donde se contempla información como:
título del recurso, tipo de recurso, área del conocimiento, a quién está dirigido, objetivo general,
objetivos específicos, contenidos, descripción general del software y requerimientos técnicos del
equipo en el que se utilizará la información sobre las características didácticas de la aplicación y
descripción del diseño funcional y el diseño de la interfaz.
La fase III es la etapa de implementación, con base en el diseño funcional, se procede a la
generación e incorporación de la información determinada y los elementos de interacción,
obteniéndose así las capas y su interfaz gráfica que comprenden la aplicación.
La etapa de Evaluación consta de una prueba piloto con la finalidad de depurar inicialmente
la primera versión del desarrollo realizado, efectuando las respectivas modificaciones o
correcciones de contenido y entorno general, de manera cíclica hasta que ya no se encuentren
errores durante la evaluación del prototipo, con el propósito de cumplir con las especificaciones
descritas en la etapa de diseño.
IIDiseño
IIIImplementación
IVEvaluación
IAnálisis
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8 Resultados
La plataforma SIGICU permitió la identificación de Islas de Calor Urbano -ICU- en la ciudad
de Bogotá D.C., a partir de técnicas de teledetección de una imagen Landsat 8; la cual es
determinada a través de la suma de los NDVI, NDWI, NDBI, el porcentaje de vegetación; y la
concentración de variables fisicoquímicas de contaminantes medidas a través de la Red de
Monitoreo de Calidad de Aire de Bogotá, estas hacen parte de las capas implementadas en la
aplicación Web.
El desarrollo de la aplicación Web se llevó a cabo mediante cuatro fases, cada una de las fases
están compuestas por un proceso definido para llegar al objetivo de la implementación de la
aplicación SIGICU.
8.1 Fase I: Análisis
La fase I propuesta para el desarrollo de la aplicación SIGICU se generó a partir de la
determinación y análisis de los requerimientos del sistema, siendo uno de ellos que el sistema debe
permitir visualizar las distintas capas e información generadas por la aplicación y debe permitir
consultar la información de cada capa de interés para el usuario, entre otros requerimientos de
software y de sistema.
Por otra parte, se establecieron las propiedades del sistema que permitieron dar solución a la
problemática establecida y se definieron los actores del sistema, en este caso el usuario, quien
realiza la interacción directa con la aplicación y puede visualizar las capas publicadas, usar las
herramientas de navegación y hacer consultas sobre las capas presentadas en el sitio mediante una
selección.
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Una vez determinados los requerimientos funcionales y los actores en cuanto a las
capacidades que debe dominar la aplicación como la existencia de herramientas de navegación,
visualización y consulta, a partir de los cuales se definieron los casos de uso para dar respuesta a
los requerimientos del aplicativo. En la figura 2, se presenta el modelo de casos de uso vinculados
al actor y la manera como interactúa en el entorno de la aplicación y el usuario.
Figura 2. Diagrama de casos de uso
Fuente: Elaboración propia
Los casos de uso funcionales definidos como requerimiento para la implementación de la
aplicación Web, se identificaron como se describe a continuación: CU-01 Visualizar, permite al
usuario la visualización sobre el área inicial definida, además le permite al usuario el
desplazamiento por la aplicación, contiene los casos de uso que hacen parte de las herramientas
generales con las que el usuario puede interactuar en la visualización de la información dispuesta
en la aplicación, a saber: acercar, alejar, encender o apagar una capa. CU-07 Consultar, permite al
usuario conocer información sobre las capas presentadas en el sitio Web, a partir de la selección
con el cursor.
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Adicionalmente se analizaron los requerimientos no funcionales relacionados con la
adaptabilidad y accesibilidad de la aplicación, se estableció que el acceso a la aplicación se
realizará a través de los navegadores web de amplio uso como Google Chrome y Firefox,
ajustándose a cualquier tamaño y resolución de pantalla. Por otra parte, en el ámbito de la
usabilidad, el usuario tiene autonomía o control de la aplicación, con una interfaz intuitiva y
dinámica.
8.2 Fase II: Diseño
En la fase de diseño se esquematizaron las funcionalidades que debía presentar la aplicación
SIGICU, además del diseño de la arquitectura de software a partir del diagrama de componentes
y de despliegue, se obtuvo una visión más detallada del funcionamiento del sistema.
En el diagrama de componentes se muestra un subconjunto significativo
arquitectónicamente del modelo de diseño, donde se aprecia claramente el carácter Web de la
aplicación e integra los siguientes componentes:
1) una base de datos en PostgreSQL el cual permitió la conexión con PostGIS y a su vez
contiene las tablas relacionadas con las capas de la aplicación e información general del proyecto.
2) El servidor GeoServer permitió servir el mapa y los diferentes datos que hacen parte de
la aplicación Web, este opera como un nodo a través del sistema gestor de base de datos y el
servidor de datos espaciales, con el fin de disponer y almacenar los datos geoespaciales, para
archivos Vector en formato PostGIS y para archivos Ráster en formato GeoTiff, además de la
asignación de estilos definidos a cada una de las capas.
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3) El framework Heron permitió la implementación de la interfaz de usuario en SIGICU
como elemento para la visualización y ejecución de las demás funcionalidades definidas en los
casos de uso, para ser desplegado en el componente que integra todos los anteriores.
4) El navegador web facilita al usuario el acceso a la aplicación. La estructura de la
aplicación Web integró y configuró los requerimientos y especificaciones funcionales y no
funcionales como se describió en la fase de análisis, desde la publicación de las capas, definición
de estilos y la interfaz de usuario. El modelo de componentes en la Figura 3, muestra la arquitectura
de implementación, documentación, despliegue e interrelación de estos componentes:
Figura 3. Diagrama de Componentes
Fuente: Elaboración propia
Una vez definidos los componentes, en la vista de despliegue se visualiza la arquitectura
definida para la aplicación Web, por medio de una estructura de tres nodos; el nodo de cliente se
define como herramienta de interacción con el visor y el navegador Web de preferencia en el
usuario, en el nodo del servidor de aplicaciones se definieron los entornos de ejecución adecuados
para usar el servicio GeoServer y en el nodo del servidor de base de datos se dispuso de manera
aislada la Base de Datos, estructurada en PostgreSQL y su extensión de manejo de datos espaciales
PostGIS.
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En la Figura 4, se aprecia la arquitectura para la aplicación SIGICU, por medio del
diagrama de despliegue y teniendo en cuenta cada uno de los requerimientos, funcionalidades y
restricciones de la aplicación, con los cuales se dio paso a la implementación de la herramienta
basada en capas.
El nodo Cliente contiene el navegador Web, que para el caso de SIGICU se realiza prueba
con los navegadores Google Chrome y Mozilla Firefox. El nodo Servidor de aplicaciones contiene
los ambientes de ejecución Apache TomCat y WampServer, GeoServer permite por medio de
estándares abiertos la interoperabilidad y publicación de datos de las principales fuentes de datos
espaciales, facilitando la conexión Web. Adicionalmente el servidor de base de datos seleccionado
fue PostgreSQL, un sistema de base de datos de código abierto con la extensión para la gestión de
datos espaciales PostGIS.
Figura 4. Diagrama de Despliegue
Fuente: Elaboración propia
8.3 Fase III: Implementación
La interfaz de usuario se estableció a través del framework Heron, sustentada en los
estándares de OGC, se seleccionó esta herramienta porque utiliza un lenguaje de código JavaScript
y herramientas que combina el API de mapeo Web OpenLayers con la interfaz de usuario,
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aprovechando entornos de desarrollo para proporcionar componentes de alto nivel. Finalmente, a
través del entorno de ejecución Web WampServer, se realizó su publicación con el fin de disponer
la aplicación en la Web de forma dinámica.
8.3.1 Integración
En la etapa de integración, luego de la depuración y clasificación de los datos, se dispuso
de las capas resultado del análisis espacial ICU; para tal fin, se utilizó el servidor GeoServer,
mediante la creación de un espacio de trabajo denominado SIGICU, alimentado por el almacén de
datos correspondiente una base de datos espacial en PostGIS.
Figura 5. Capas almacenadas en el espacio de trabajo llamado sigicu en GeoServer
Fuente: Elaboración propia
8.3.2 Configuración
SIGICU se configuró bajo el marco del concepto de reutilización, se construyó una base de
datos geográfica en PostgreSQL con la extensión PostGIS, y esta fue a su vez cargada en
GeoServer versión 2.8.0, haciendo uso de un servidor local. Posteriormente usando el servicio de
publicación, reutilizando los códigos disponibles en Heron, se construyó la interfaz de usuario que
permite visualizar la información con todas las funcionalidades definidas en los requerimientos,
para dejar el servicio disponible y poder ser consumido.
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Con el propósito de mejorar el entendimiento y la contextualización de la información se
realizaron algunas modificaciones que incluyen: uso de los servicios de Google Maps como capas
base, agregar funcionalidad para fijar transparencia a las capas, entre otras. Por otra parte, se
garantizó que el nombre de las herramientas fuera acorde con su funcionalidad, y se estableció
como idioma predefinido español.
8.3.3 Personalización
Se les asignó a las capas publicadas en GeoServer el estilo creado previamente mediante el
editor de estilos en QGIS versión 2.18.17, el cual fue almacenado en un archivo con extensión .sld,
posteriormente se realizaron ajustes adicionales de color, transparencia de las capas y
personalización, para mejorar la visualización de la aplicación Web SIGICU, como se muestra en
la Figura 6.
Figura 6. Capas publicadas en SIGICU, con asignación de estilos
Fuente: Elaboración propia
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8.4 Fase IV: Evaluación
8.4.1 Usabilidad
La evaluación de la usabilidad es un procedimiento para la recogida de datos de la
interacción del usuario final con un producto de software y puede ser medida como un producto o
servicio que satisface los requerimientos funcionales propuestos y se mide en términos de
usabilidad. Sin embargo, la usabilidad es relativa; ya que el producto que cumple con los
requerimientos del usuario puede haber sido elaborado exento de normas de fabricación.
Los métodos de indagación se centran en el examen de las características de calidad de un
producto software mediante la medición de la opinión de los usuarios. Las características o
atributos de usabilidad más importantes que impactan el sistema son: Eficiencia, facilidad de
aprendizaje y satisfacción de usuario, seguidas de eficacia, facilidad de uso, seguridad y utilidad y
las técnicas más representativas son: los Cuestionarios de Usuario, donde el usuario responde
preguntas específicas.
Para este caso se hace referencia específicamente a la usabilidad Web, determinada por
medio de un cuestionario aplicado a cinco componentes de calidad, aplicado a determinados
evaluadores que revisan la interfaz siguiendo unos principios de usabilidad. La revisión se realiza
de manera individual y asumiendo el papel de usuario.
Con el fin de lograr un análisis completo y con parámetros uniformes para todos los
evaluadores, se diseñó un cuestionario a manera de plantilla en el que cada una las variables
presentadas debía evaluarse a partir de estas tres opciones: "Bajo", "Medio" y "Alto" que
posteriormente se computaron como 1, 2 y 3, respectivamente (3 como la puntuación más
favorable).
La tabla 1 muestra el cuestionario aplicado a cada componente de calidad.
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Tabla 1. Cuestionario evaluación usabilidad Componentes de calidad Preguntas
Eficiencia ¿Qué tan rápido pueden realizar las tareas?
Facilidad de aprendizaje ¿Qué tan cómodo es para los usuarios cumplir con las tareas
básicas la primera vez que utilizan la interfaz?
Recordabilidad ¿Qué tan fácil les resulta recuperar la habilidad en el manejo de
la herramienta?
Errores ¿Cuántas fallas cometen los usuarios, qué tan severas son y qué
tan fácil les resulta recuperarse de estas?
Satisfacción ¿Qué tan agradable es utilizar el diseño?
Fuente: Elaboración propia.
Para el estudio de este sitio web se escogieron 10 personas para realizar las pruebas: 4 con
conocimientos en SIG y 6 usuarios no expertos en este ámbito. Todos ellos deberían tener
conocimientos básicos del uso de Internet, y ninguno de ellos debía haber utilizado previamente
esta base de datos.
Con respecto al test de usabilidad se plantea un conjunto de tareas concretas que el usuario
debe realizar, mientras un observador toma nota. Se preparó una serie de 6 tareas y se realizó la
prueba a 10 usuarios, de manera individual, durante 20 minutos aproximadamente.
1. Visite el sitio web y compruebe qué lenguas están disponibles como lenguas de origen
y de llegada.
2. Localice el centro poblado de Bogotá.
3. Realice un desplazamiento por el mapa y haga un acercamiento en su lugar de
residencia o lugar de trabajo.
4. Active la capa Calidad del aire y haga un análisis de lo que visualiza.
5. Active la capa ICU y haga un análisis de lo que visualiza.
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6. Aleje las capas y haga un análisis del contraste de información entre la zona urbana y
rural de Bogotá.
Se marcaron con un 1 las tareas con valoración “Baja”, 2 aquellas con valoración “Media”
y 3 con valoración “Alta”. Una vez los 10 usuarios dieron sus respuestas al test, sin hacer distinción
entre usuarios conocedores de un SIG y sin conocimiento de un SIG, se contabilizó la valoración
que cada usuario le dio a las características y principios señalados. De este modo las respuestas de
los evaluadores se convirtieron en datos numéricos utilizados para evaluar individualmente los
componentes de usabilidad analizados en este estudio.
Teniendo en cuenta estos componentes las tablas 2 a la 5 fueron ajustadas y adaptadas de
Pérez y Rosero, una vez realizados los test, los observadores realizaron una entrevista con cada
uno de los usuarios para evaluar los criterios de usabilidad para la aplicación SIGICU.
Tabla 2. Evaluación de la eficiencia, para la aplicación SIGICU Característica Principios Valoración
Confiabilidad Cantidad de enlaces rotos internos.
Páginas muertas.
Alto
Número de fallas en un período corto de ejecución. Medio
Desempeño Humano Tiempo gastado para completar una tarea.
Tiempo gastado en errores.
Frecuencia con la que se acude a la ayuda.
Comando por tarea.
Medio
Fuente: Pérez & Rosero. Ingeniería Vol. 1. No. 5. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Tabla 3. Evaluación de la satisfacción para la aplicación SIGICU Característica Principios Valoración
Privacidad Conexión segura Políticas de seguridad Respaldo. Medio
Atracción Complacencia del usuario con la interacción.
Complacencia del Usuario con los resultados.
Medio
Habilidades del Usuario Participación del usuario en las tareas del sistema. Alto
Fuente: Pérez & Rosero. Ingeniería Vol. 1. No. 5. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
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Tabla 4. Evaluación del aprendizaje, para la aplicación SIGICU Característica Principios Valoración
Facilidad de
aprendizaje
Lenguaje Consistente Común Intuitivo (iconografía y
funcionalidades comunes)
Medio
Comprensibilidad Claridad en la definición de requerimientos
entrada/salida
Tiempo de Entrenamiento Esquema de Organización
Global
Medio
Metodología Comunicación Funcional
Preclasificación de los contenidos
Fiable
Alto
Pedagogía Definición de perfiles de usuario
Definición de objetivos del sitio discriminados por
perfiles
Medio
Recordación Mecanismo de señalamiento de paso dentro de una tarea
Mecanismo para suspender y retornar a tareas
Medio
Documentación Relación densidad/utilidad
Mecanismo de acceso y disponibilidad
Medio
Ayuda y
Realimentación
Ayuda de Búsqueda Información Útil y contextual Bajo
Facilidad de Uso,
Control u Operatividad
Mecanismo de Cancelación Mecanismo de Gestión Medio
Funcionalidad Utilidad de los servicios y contenidos
Fuentes confiables, Sitios Relacionados
Medio
Navegación Controles de navegación Menú Control de avance y
regreso lógico Enlaces
Alto
Estándares Valido en HTML Valido en hojas de estilo CSS Valido
en Accesibilidad
Medio
Fuente: Pérez & Rosero. Ingeniería Vol. 1. No. 5. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
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Tabla 5. Evaluación del contenido, para la aplicación SIGICU Característica Principios Valoración
Comunicación Integración
Densidad
Medio
Identidad Información de definición esencial URL Medio
Accesibilidad Compatibilidad con diferentes clientes Web
Independencia con la resolución de pantalla
Alto
Fuente: Pérez & Rosero. Ingeniería Vol. 1. No. 5. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
De acuerdo con las anteriores tablas y según las características y métricas usadas para la
realización de la evaluación en cuanto al parámetro de usabilidad, se analizan los resultados de
una forma global, se obtuvo un 70% con una valoración Media, un 25% con una valoración Alta
y un 5% con una valoración Baja; por lo tanto, la aplicación SIGICU tiene una calificación Media
en cuanto a usabilidad.
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9 Conclusiones
La previa identificación de los requerimientos funcionales y no funcionales permitió definir
una metodología Scrum, además de la elaboración del diseño y estructura arquitectónica para
diseñar de manera eficiente la implementación y desarrollo de la aplicación Web.
Al realizar el análisis espacial se agruparon las variables que se tenía disponibles, sin embargo,
no se incluye el modelamiento de variables de contaminantes en la atmósfera dispuestos en la Red
de Calidad de Aire de Bogotá –RMCB- y la formación de islas de calor, se presentan la
visualización de esta información para el contraste espacial del usuario.
Se realiza la generación de capas de formación de islas de calor, a través el procesamiento
digital de una imagen Landsat 8 haciendo uso de sus bandas térmicas, las cuales permiten
identificar la formación de dicho fenómeno en la zona urbana y rural de la cuidad.
La evaluación de la usabilidad presenta una valoración favorable con promedio entre alta –
media, indicando un porcentaje del 70%, por lo que la aplicación SIGICU es de fácil navegación
y comprensión, y en cuanto al uso efectivo de la información la aplicación requiere de usuarios
finales con conocimientos básicos en manejo de datos espaciales, la aplicación se muestra como
una herramienta de visualización del ICU, para la toma de decisiones en cuanto a la planeación y
mitigación del riesgo asociado a las Islas de Calor Urbano y contaminantes.
La aplicación SIGICU es una iniciativa que puede ser adoptada por diferentes entidades y
extensible a otras área o regiones, ya que la implementación se realizó a partir de datos abiertos,
códigos reutilizables y software libre, sin embargo, es necesario profundizar en la investigación
que permita identificar la relación entre la formación de islas de calor y el desplazamiento de
contaminantes, a través de modelos, que desarrolle criterios que permitan generar la
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sustentabilidad de ecosistemas urbanos y el mejoramiento de la calidad de vida de los habitantes
de la ciudad.
A pesar de la utilidad que brinda SIGICU es importante destacar que la aplicación puede
presentar más información de calidad, en cuanto se identifique un algoritmo que pueda consolidar
los datos ICU con los contaminantes, propuesta que no logró concretarse en esta implementación
inicial; sin embargo, en la aplicación se presenta esta información por separado dando una
visualización de la dinámica de los mismos.
La evaluación de usabilidad, se encontró que los resultados pueden variar ampliamente
cuando diferentes evaluadores estudian la misma interfaz de usuario, incluso si utilizan la misma
técnica de evaluación, por otra parte con el test de usabilidad se obtuvo una valoración Media,
mostrando falencias del sitio Web, con respecto a temas de seguridad, de ayuda y realimentación.
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REFERENCIAS
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