3.2 ETAPAS PARA DESARROLLO DEL SIG – PILOTO PARA

AGRADECIMIENTOS

Un agradecimiento a todo el equipo de UNIGIS por su apoyo en la formación de la maestría, en especial a Richard Resl y Fernanda Bonilla por su valiosa guía en el desarrollo de la tesis. De igual manera, a Paty Mothes, Andrés Herrera y Cristian Cisneros del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional.

DEDICATORIA

A Dios, a mi esposa Vanessa, a Matías: nuestra bendición y regalo de Dios quien día a día nos llena de alegría, a mis padres Víctor y Laura, mi hermana Carolina, Javi, mis sobrinos Anthony, Emily, a mis suegros Fernando y Vilma, Alex, y también a quienes forman parte de la familia: Lily, Negry, Goofy.

Gracias a todos por ser mi inspiración, mi ejemplo a seguir y el motor de mi vida para seguir alcanzando sueños y poder disfrutar juntos de los logros de toda la familia.

RESUMEN

El Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IGEPN) de Ecuador actualmente tiene instalada la Estación GPS San Lorenzo de alta precisión que transmite información de su posición en tiempo real desde el norte de la provincia de Esmeraldas hasta el servidor central instalado en el IGEPN en la ciudad de Quito. Los datos de la estación GPS al momento no tienen tratamiento alguno y se requiere un Sistema de Información Geográfica (SIG) que permita utilizar estos datos para generar una alerta temprana de posible Tsunami.

El presente proyecto de tesis busca diseñar e implementar un SIG a escala piloto para generar una alerta temprana de Tsunami en Ecuador gracias a las ventajas que brindan los sistemas de navegación global usando satélites artificiales (GNSS) desarrollado con software libre (PostgreSQL, Python).

Se diseñó una base de datos que almacena la información proveniente del GPS de las componentes en sentido norte-sur, este-oeste y posición vertical, así como también, datos del epicentro del evento sísmico que lo genere.

Se aplica el modelo matemático de Song para calcular la Energía Total y la Escala de Tsunami, luego con base en esta información el sistema verifica si existe o no la posibilidad de ocurrencia de un evento de Tsunami en la zona costera de Ecuador.Se ejecutan los scripts desarrollados en Python usando el entorno gráfico de Visual Studio Code, con el fin de mostrar en este visor los resultados de los indicadores de Tsunami: series de tiempo de la variación de las componentes: norte-sur, este-oeste y posición vertical del GPS, Energía Total y Escala de Tsunami calculadas. Además, en este visor se activará una alerta visual y auditiva de posible Tsunami dependiendo de los resultados de la Escala de Tsunami obtenida.

Finalmente, se verificó el funcionamiento el SIG – piloto usando datos reales de dos eventos sísmicos que usaron el modelo de Song exitosamente. El terremoto y tsunami de Japón Tohoku-Oki (Mw 9.0) generado el 11 de marzo de 2011 y el terremoto y tsunami de Chile generado el 27 de febrero de 2010 (Mw 8.8).

Palabras claves: Alerta temprana, GIS, GNSS, Python, Software libre, Tsunami.

ABSTRACT

The Geophysical Institute of the National Polytechnic School (IGEPN) in Ecuador currently has the highly accurate GPS San Lorenzo Station installed that transmits information in real time from the north of Esmeraldas city to the central server installed at the IGEPN in Quito city. The GPS data obtained at the moment doesn’t have any treatment and a Geographic Information System (GIS) is required that allows using this data to generate a possible Tsunami early warning.

This project pursues to design and implement a pilot scale GIS to generate Tsunami early warning in Ecuador thanks to the advantages provided by global navigation systems using artificial satellites (GNSS) and will be developed with open software (PostgreSQL, Python).

A database was designed that stores the information from the GPS of the components in the north-south, east-west and vertical position, as well as data from the epicenter of the seismic event that generates it.

Song's mathematical model is applied to calculate the Total Energy and the Tsunami Scale, then based on this information the system verifies whether or not there is the possibility of a Tsunami event occurring in the coastal zone of Ecuador.

The scripts developed in Python are executed using the Visual Studio Code graphical environment, in order to show in this viewer the results of the Tsunami indicators: time series of the variation of the components: north-south, east-west and GPS vertical position, Total Energy and Tsunami Scale calculated. In addition, in this viewer a visual and auditory alert of a possible Tsunami will be activated depending on the results of the Tsunami Scale obtained.

Finally, the operation of the GIS-pilot was verified using real data from two seismic events that used the Song model successfully. The Japan Tohoku-Oki earthquake and tsunami (Mw 9.0) generated on March 11, 2011 and the Chilean earthquake and tsunami generated on February 27, 2010 (Mw 8.8).

Key words: Early warning, GIS, GNSS, Open Software, Python, Tsunami.

TABLA DE CONTENIDO

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1. INTRODUCCIÓN............................................................................................. 15

1.1 ANTECEDENTES................................................................................... 15

1.2 OBJETIVO GENERAL ............................................................................ 16

1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS................................................................... 16

1.4 PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN....................................................... 17

1.5 HIPÓTESIS ............................................................................................. 17

1.6 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 18

1.7 ALCANCE................................................................................................ 20

2. REVISIÓN DE LITERATURA ......................................................................... 21

2.1 MARCO TEÓRICO.................................................................................. 21

2.1.1 GPS .............................................................................................. 21 2.1.2 SISTEMA DE NAVEGACIÓN GNSS ........................................... 21 APLICACIONES DEL SISTEMA GNSS....................................... 23 2.1.3 DATOS GPS................................................................................. 24 2.1.4 TSUNAMI...................................................................................... 25

2.2 MARCO HISTÓRICO.............................................................................. 28

2.2.1 TSUNAMIS................................................................................... 28 2.2.2 TECNOLOGÍA APLICADA EN ALERTA TEMPRANA DE TSUNAMI 30 2.2.3 MODELO DE SONG PARA LA PREDICCIÓN DE TSUNAMIS .. 31

2.3 MARCO METODOLÓGICO.................................................................... 32

2.3.1 SISTEMA DE ALERTA TEMPRANA DE TSUNAMI.................... 32 2.3.1.1 REQUISITOS................................................................... 32 2.3.1.2 DESPLAZAMIENTO DEL SUELO................................... 33

2.3.1.3 INTERCAMBIO DE DATOS ............................................ 33 2.3.1.4 TRANSMISIÓN DE DATOS EN TIEMPO REAL............. 34 2.3.2 APLICACIÓN DE GTEWS............................................................ 35 2.3.3 REDES PROTOTIPO EXISTENTES ........................................... 35 2.3.4 MÉTODO DE SONG PARA LA DETERMINACIÓN DE ESCALAS Y ORIGEN DE TSUNAMI BASADO EN DATOS GPS........................... 36 2.3.5 SOFTWARE LIBRE PARA DESARROLLO DE APLICACIONES42 2.3.5.1 OGC: CONSORCIO GEOESPACIAL ABIERTO ............ 42 2.3.5.2 ADMINISTRADOR DE BASE DE DATOS POSTGRE SQL ......................................................................................... 42 2.3.5.3 POSTGIS COMPLEMENTO ESPACIAL DE POSTGRESQL................................................................ 42 2.3.5.4 MAPSERVER.................................................................. 43 2.3.5.5 GEOSERVER.................................................................. 43 2.3.5.6 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN PHYTON ................ 43

3. METODOLOGÍA.............................................................................................. 44

3.1 AREA DE ESTUDIO................................................................................ 44

3.2 FLUJOGRAMA........................................................................................ 45

3.3 DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA................................................ 48

3.3.1 GENERALIDADES....................................................................... 48 3.3.2 ETAPAS PARA DESARROLLO DEL SIG – PILOTO PARA ALERTA DE TSUNAMI........................................................................... 49

3.4 JUSTIFICACIÓN DE LA METODOLOGÍA.............................................. 51

3.4.1 DISEÑO Y ACTUALIZACIÓN DE BASE DE DATOS.................. 52 3.4.2 CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE DATOS.......................................... 52 3.4.3 VISUALIZACIÓN Y ALERTA DE TSUNAMI................................ 54 3.4.4 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO............................................... 54

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................... 55

4.1 RESULTADOS........................................................................................ 55

4.1.1 ETAPA 1: DISEÑO Y ACTUALIZACIÓN DE BASE DE DATOS. 55 4.1.2 ETAPA 2: CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE DATOS PARA EMITIR ALERTA DE TSUNAMI........................................................................... 60 4.1.3 ETAPA 3: GRÁFICOS DE SERIES DE TIEMPO E INDICADORES DE LA ALERTA DE TSUNAMI................................................................ 63 4.1.4 PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO SIG-PILOTO......................... 66 4.1.4.1 ESTACIÓN SMST – SIMOSATO DE JAPÓN - 11/03/2011 ......................................................................................... 66 4.1.4.2 ESTACIÓN SANT – SANTIAGO DE CHILE - 27/02/2010 ......................................................................................... 70

4.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS................................................................. 73

4.2.1 DATOS DE LA ESTACIÓN snlr - SAN LORENZO DE ecuador –24/11/2020 .............................................................................................. 73 4.2.2 DATOS DE LA ESTACIÓN SMST – SIMOSATO DE JAPÓN 11/03/2011 .............................................................................................. 76 4.2.3 DATOS DE LA ESTACIÓN SANT – SANTIAGO DE CHILE 27/02/2010 .............................................................................................. 80 4.2.4 ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL SIG-PILOTO ............. 84

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.................................................. 86

5.1 CONCLUSIONES.................................................................................... 86

5.2 RECOMENDACIONES........................................................................... 87

6. REFERENCIAS............................................................................................... 89

7. ANEXOS.......................................................................................................... 98

LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Componentes del Sistema GNSS .....................................................................22 Figura 2. Componentes de una estación permanente GPS..............................................23 Figura 3. Nomenclatura de archivos RINEX.....................................................................25 Figura 4. Tsunami formado por desplazamiento del fondo marino y erupciones volcánicas .................................................................................................................26 Figura 5. Efecto del Tsunami en costas con poca y gran inclinación................................27 Figura 6. Proceso de un tsunami......................................................................................27 Figura 7. Mapa Geodinámico del margen ecuatoriano.....................................................29 Figura 8. Sistema de alerta temprana de Tsunami...........................................................32 Figura 9. Red GNSS / GPS en tiempo real.......................................................................34 Figura 10. Ubicación geográfica del área de estudio........................................................45 Figura 11. Flujograma SIG – Piloto alerta de Tsunami.....................................................47 Figura 12. Muestra de un archivo procesado con RTKPOST ver 2.4.2............................55 Figura 13. Muestra del archivo Excel con información de los epicentros..........................56 Figura 14. Base de datos “Tsunami” – Tabla “mobile”......................................................57 Figura 15. Resultado de la ejecución de los scripts en el entorno gráfico de Visual

Studio Code de la Estación SNLR – San Lorenzo – 24/11/2020...............................65 Figura 16. Tabla de datos de origen de las series de tiempo ...........................................66 Figura 17. Descarga de datos Rinex Estación SMST – Japón – 11/03/2011....................67 Figura 18. Procesamiento de datos Rinex Estación SMST – Japón – 11/03/2011...........67 Figura 19. Carga de datos procesados de la Estación SMST – Japón – 11/03/2011.......68 Figura 20. Resultado de la ejecución de los scripts en el entorno gráfico de Visual

Studio Code de la Estación SMST – Japón – 11/03/2011.........................................69 Figura 21. Activación de la posible alerta de tsunami en el entorno gráfico de Visual

Studio Code de la Estación SMST – Japón – 11/03/2011.........................................70 Figura 22. Descarga de datos Rinex Estación SANT – Chile – 27/02/2010 .....................70 Figura 23. Procesamiento de datos Rinex Estación SANT – Chile – 27/02/2010.............71 Figura 24. Carga de datos procesados de la Estación SANT – Chile – 27/02/2010.........71 Figura 25. Resultado de la ejecución de los scripts en el entorno gráfico de Visual

Studio Code de la Estación SANT – Chile – 27/02/2010...........................................72 Figura 26. Series de tiempo de las componentes ΔE, ΔN, ΔU de la Estación SNLR .......73

Figura 27. Serie de tiempo: Energía Total del Tsunami calculada....................................75 Figura 28. Serie de tiempo: Escala de Tsunami calculada...............................................76 Figura 29. Series de tiempo de las componentes ΔE, ΔN, ΔU de la Estación - SMST.....77 Figura 30. Desplazamientos del terremoto Tohoku de 2011 de estaciones GPS cercanas (línea azúl) comparadas con registros de movimiento fuerte de redes japonesas Kik-

Net corregidas (línea roja). El tiempo de cada cuadro es de 250 s. ..........................78 Figura 31. Serie de tiempo: Energía Total del Tsunami calculada....................................78 Figura 32. Impresión de la tabla que muestra valores mayores o iguales a 5 en la

Escala de Tsunami en el entorno gráfico de Visual Studio Code de la Estación

SMST – Japón – 11/03/2011.....................................................................................79 Figura 33. Serie de tiempo: Escala de Tsunami calculada...............................................79 Figura 34. Activación de la alerta de tsunami: valor más alto de la escala en el entorno gráfico de Visual Studio Code de la Estación SMST – Japón – 11/03/2011..............80 Figura 35. Series de tiempo de las componentes ΔE, ΔN, ΔU de la Estación - SANT .....81 Figura 36. Desplazamientos de 8 estaciones GPS en la parte central de Chile y oeste de Argentina..............................................................................................................82 Figura 37. Serie de tiempo: Energía Total del Tsunami calculada....................................83 Figura 38. Impresión de la tabla que muestra valores mayores o iguales a 4.5 en la

Escala de Tsunami en el entorno gráfico de Visual Studio Code de la Estación

SANT – Chile – 27/02/2010.......................................................................................83 Figura 39. Serie de tiempo: Escala de Tsunami calculada...............................................84 Figura 40. Muestra de un archivo compacto RINEX versión 3.0 ......................................98

LISTA DE TABLAS

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Tabla 1: Escala de Tsunami para generar alerta temprana..............................................41 Tabla 2: Estructura de la Tabla “mobile” en la base de datos “Tsunami”..........................57 Tabla 3: Consulta de sismicidad del 22 al 26 de noviembre de 2020...............................74 Tabla 4: ET: Energía Total y ST: Escala de Tsunami calculados en distintos eventos usando el modelo de Song (GPS) y soluciones sísmicas convencionales. ...............84 Tabla 5: ET: Energía Total y ST: Escala de Tsunami calculados en distintos eventos usando el modelo de Song (GPS) y el SIG-piloto a partir de datos GPS...................85

LISTA DE ANEXOS

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ANEXO I: EJEMPLO DE ARCHIVO RINEX .....................................................................98

ACRÓNIMOS

GEONET GPS Earth Observation Network - Red de observación terrestre GPS de Japón

GGOS Global Geodetic Observing System - Sistema de Observación Geodésico Mundial.

GNSS Global Navigation Satellite Systems - Sistemas de navegación global por satélite.

GPS Global Positioning System - Sistema de posicionamiento global.

GTEWS Global Navigation Satellite System Enhancement for Tsunami Warning Systems.

IGEPN Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional.

INOCAR Instituto Oceanográfico de la Armada.

JICA Agencia de Cooperación Internacional del Japón.

Mw Moment magnitude scale - Escala sismológica de magnitud de momento.

NASA National Aeronautics and Space Administration

RINEX Receiver Independent Exchange - Receptor de Cambio Independiente.

SGR Secretaría de Gestión de Riesgos de Desastres.

TEQC Translate Edit Quality Check - Traducir Editar y Control de calidad

VPN Virtual Private Network – Red privada virtual.