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30 de septiembre de 2026

Clasificación de Terrenos con Aprendizaje Profundo de ArcGIS para Apoyo a la Expansión de Gasoductos

Clasificación de Terrenos con Aprendizaje Profundo de ArcGIS para Apoyo a la Expansión de Gasoductos

Antonio Marcos Pires Martins; Arthur Damasceno Vicente

DOI: 10.22167/2675-6528-202602687

Artículo derivado de Trabajo de Conclusión de Curso (TCC), con contenido basado en el trabajo original del estudiante y adaptado al formato editorial de la Revista E&S con el apoyo de la herramienta ResumeAI, una solución de inteligencia artificial desarrollada por el Instituto Pecege para la síntesis y organización textual.

Resumen

La expansión de gasoductos demanda planificación territorial que concilie viabilidad técnica y restricciones ambientales. El objetivo fue aplicar un enfoque preliminar de aptitud territorial para apoyar la planificación inicial de la expansión de gasoductos. Se utilizaron datos de teledetección y análisis espacial. La metodología exploró la clasificación de uso y cobertura del suelo mediante deep learning en imágenes Sentinel-2 y evaluó variables físicas del terreno, como pendiente y orientación de ladera, y restricciones socioambientales, incluyendo cuerpos de agua y áreas quilombolas. La validación de la clasificación temática por deep learning presentó una precisión general del 44,4% y un índice Kappa de 0,305, evidenciando limitaciones del modelo pre-entrenado frente a las condiciones estacionales del área de estudio. Este desempeño inviabilizó la integración directa del mapa de cobertura al modelo de aptitud en esta etapa. Sin embargo, se estructuró un modelo preliminar de aptitud, categorizado en áreas aptas, condicionadas y restringidas, basado en las variables físicas y restrictivas. El análisis por puntos muestrales verificó la distribución espacial de estas clases, con el 46,3% de las áreas clasificadas como aptas, el 37,0% como condicionadas y el 12,0% como restringidas. Se concluyó que la exploración individual de estas técnicas constituye un importante soporte inicial para la planificación de infraestructuras lineales, ofreciendo una estructura transparente de criterios y precedencias para la selección espacial.

Palabras clave: Análisis espacial; Aptitud territorial; Deep learning; Geoprocesamiento; Infraestructura lineal.

1. Introducción

La expansión de infraestructuras energéticas, como gasoductos, demanda procesos de planificación territorial que concilien viabilidad técnica, restricciones ambientales y condicionantes legales. La definición de áreas adecuadas para la implantación de este tipo de infraestructura involucra el análisis integrado de múltiples variables espaciales, incluyendo características físicas del terreno, patrones de uso y cobertura de la tierra y la presencia de áreas sensibles. En este contexto, el uso de Sistemas de Información Geográfica (SIG) se ha consolidado como una herramienta esencial para apoyar la toma de decisiones en proyectos de infraestructura, especialmente en las fases iniciales de planificación (Longley et al., 2015).

Tradicionalmente, análisis de aptitud territorial para la implantación de gasoductos y otras infraestructuras lineales se basan en la integración de bases cartográficas temáticas y criterios técnicos previamente definidos. Sin embargo, la disponibilidad, la actualización y el nivel de detalle de esta información no siempre satisfacen las necesidades de proyectos a escala regional, lo que puede introducir incertidumbres en el proceso de toma de decisiones (Eastman, 2012). En este sentido, la teledetección se ha mostrado como una alternativa relevante para la obtención de información actualizada sobre el territorio, contribuyendo a análisis espaciales más consistentes e integrados (Jensen, 2016).

En los últimos años, las técnicas de aprendizaje profundo se han aplicado ampliamente a la clasificación de imágenes de teledetección, presentando avances significativos en términos de automatización y precisión en comparación con los métodos de clasificación tradicionales (Ma et al., 2019; Zhu et al., 2017). Los modelos basados en redes neuronales convolucionales permiten la identificación de patrones complejos en imágenes multiespectrales, posibilitando la generación de mapas de uso y cobertura del suelo con un mayor nivel de detalle. Estos productos pueden respaldar análisis espaciales orientados a la planificación de infraestructuras lineales, incluida la identificación de áreas urbanas y cuerpos de agua.

A pesar de estos avances, es fundamental distinguir el papel descriptivo de los mapas de uso y cobertura del suelo de aquel desempeñado por los modelos de aptitud territorial. Mientras que la clasificación de imágenes busca representar la ocupación del territorio, los modelos de aptitud tienen como finalidad expresar restricciones y condicionantes técnicos y legales a la implantación de emprendimientos, a partir de la integración de diferentes variables espaciales (Malczewski, 2006). Esta distinción es esencial para evitar interpretaciones equívocas y garantizar que los productos generados sean utilizados de forma adecuada en las etapas de planificación.

Ante este contexto, y considerando que la validación de la clasificación temática por deep learning presentó un rendimiento limitado (precisión global del 44,4% e índice Kappa de 0,305), lo que imposibilitó su integración directa al modelo de aptitud en esta etapa del estudio, este trabajo se justifica por la necesidad de una herramienta de selección espacial para la planificación de infraestructuras lineales. Así, el objetivo general de este trabajo es desarrollar y aplicar una estructura preliminar de apoyo a la evaluación de la aptitud territorial para la expansión de gasoductos, considerando la caracterización del uso y cobertura de la tierra por deep learning, las variables físicas del terreno y las restricciones socioambientales, con el mapa de aptitud elaborado a partir de las variables físicas y restricciones, sin incorporar la clasificación obtenida por deep learning en esta etapa del estudio.

2. Material y Métodos

El estudio adoptó un enfoque exploratorio, integrando teledetección y análisis espacial para apoyar la planificación inicial de la expansión de gasoductos. Se desarrolló un marco preliminar de aptitud territorial, considerando el uso y la cobertura del suelo mediante deep learning, variables físicas del terreno y restricciones socioambientales. La metodología exploró individualmente la clasificación de imágenes y el modelado de aptitud.

La investigación se llevó a cabo en el Extremo Oeste de Bahía, abarcando tramos piloto en los municipios de Buritirama, Barra, Mansidão, Cotegipe, Wanderley, Ibotirama, Morpará y Xique-Xique. Esta región fue seleccionada por la diversidad de usos y coberturas del suelo, el relieve variado y la presencia de áreas ambientalmente sensibles, lo que la hace representativa para el análisis de la planificación de infraestructuras lineales. La delimitación espacial del área se realizó en un entorno SIG, con un sistema de referencia cartográfica compatible.

Para la clasificación del uso y cobertura del suelo, se utilizaron imágenes multiespectrales del satélite Sentinel-2 (agosto de 2023), obtenidas gratuitamente por el programa Copernicus (COPERNICUS PROGRAMME – ESA & European Union, 2026). Se seleccionaron imágenes con baja cobertura de nubes (30%) (Hofig; Araujo Junior, 2015). La orientación de la ladera se incorporó como condicionante físico exploratorio.

Se realizaron análisis de proximidad con la herramienta Distance Accumulation de ArcGIS Pro (Esri, 2026; Longley et al., 2015), aplicados a datos vectoriales de cuerpos de agua y áreas quilombolas. Estas variables fueron consideradas restricciones absolutas para exclusión espacial. Se construyeron máscaras binarias (0 para restringido, 1 para no restringido) con la herramienta Raster Calculator (Esri, 2026; Malczewski, 2006), estandarizando las restricciones para su integración en el modelo de aptitud.

El mapa preliminar de aptitud territorial se construyó integrando las máscaras binarias de restricción con las variables reclasificadas de pendiente y orientación de ladera. Se utilizó la herramienta Raster Calculator con lógica condicional (Con) en ArcGIS Pro (Esri, 2026; Malczewski, 2006). Esta lógica priorizó las restricciones absolutas y, en ausencia de estas, consideró las restricciones moderadas de las variables físicas del terreno (Longley et al., 2015). El mapa resultante se clasificó en tres categorías: Apto, Condicionado/Baja Aptitud y Restringido.

Para apoyar el análisis inicial del mapa de aptitud territorial, se generaron 1.000 puntos de muestreo aleatorios con la herramienta Create Random Points, distribuidos por la extensión del área de estudio. Los valores de las capas ráster se extrajeron a estos puntos utilizando la herramienta Extract Multi Values to Points (Esri, 2026; Longley et al., 2015). Este procedimiento permitió el etiquetado de las muestras según las clases de aptitud y la cuantificación de la distribución porcentual de los puntos.

3. Resultados y Discusión

La presente investigación exploró un enfoque preliminar para la evaluación de la aptitud territorial destinada a la planificación de gasoductos, integrando técnicas de teledetección y análisis espacial. Los resultados obtenidos se presentan y discuten en dos frentes principales: la evaluación del desempeño de la clasificación de uso y cobertura del suelo por deep learning y el análisis del mapa preliminar de aptitud territorial, construido a partir de variables físicas y restricciones socioambientales. La distinción entre estos dos enfoques es crucial para comprender el significado de los hallazgos y sus implicaciones para la planificación de infraestructuras lineales.

Inicialmente, la clasificación de uso y cobertura del suelo, realizada mediante un modelo preentrenado de deep learning aplicado a imágenes Sentinel-2, generó un mapa temático con diversas clases. Un análisis visual preliminar, comparando este mapa con datos de referencia de MapBiomas, reveló tanto convergencias como divergencias temáticas en la distribución espacial de las clases. Esta comparación visual fue fundamental para una comprensión cualitativa de las características del mapa antes de su validación cuantitativa, ayudando a identificar patrones e inconsistencias en la representación del territorio.

Evaluación de la Clasificación de Uso y Cobertura del Suelo por Deep Learning

La validación cuantitativa de la clasificación temática, esencial para verificar la calidad y fiabilidad de los resultados, se realizó mediante una matriz de confusión. Los indicadores de rendimiento revelaron una precisión global del 44,4% y un índice Kappa de aproximadamente 0,30. Estos valores indican un rendimiento limitado del modelo y una concordancia modesta entre la clasificación generada y los datos de referencia. Aunque la precisión global superó el umbral del 20% esperado para una clasificación aleatoria entre cinco clases, el resultado no se considera satisfactorio para uso operativo (Olofsson et al., 2014; Jensen, 2016).

El análisis detallado del rendimiento por clase temática evidenció un comportamiento heterogéneo del modelo. La clase C4, correspondiente a las áreas antrópicas intensivas, presentó exactitudes de productor y usuario iguales a cero, indicando una falla completa en su identificación. Este resultado sugiere una dificultad significativa del modelo para diferenciar áreas urbanizadas y otras superficies modificadas dentro del área de estudio, lo que compromete la representación de elementos cruciales para la planificación de infraestructuras.

Para la clase C1, que representa áreas abiertas con baja cobertura vegetal, se observó una precisión del productor del 60% y una precisión del usuario del 26%. Esta discrepancia sugiere una tendencia del modelo a sobreestimar la presencia de áreas abiertas, posiblemente atribuyendo esta clase a lugares que, en realidad, poseían otros tipos de cobertura o plantaciones. La baja confiabilidad para el usuario (26%) indica que una porción significativa de las áreas clasificadas como C1 no correspondía a la realidad en el terreno, generando errores de comisión.

Las áreas agrícolas y de vegetación de bajo porte (C2) presentaron un 49% de acierto en la identificación de las áreas reales (precisión del productor) y un 61% de confiabilidad (precisión del usuario). Esta clase demostró mayor dificultad de diferenciación, lo que puede estar relacionado con la similitud espectral entre áreas de preparación del suelo, cultivos y la vegetación rastrera común en la región. La dificultad para distinguir estas categorías es un desafío conocido en clasificaciones de teledetección, especialmente en paisajes agrícolas dinámicos (Jensen, 2016).

En relación con las áreas vegetadas mixtas y forestales (C3), el modelo identificó correctamente solo el 37% de las áreas existentes (precisión del productor), pero presentó una confiabilidad del 71% (precisión del usuario). Este patrón sugiere un comportamiento más conservador del modelo, donde la clasificación fue más precisa en las áreas que realmente identificó como bosque, pero con una elevada omisión de áreas reales. Esto implica que muchas áreas forestales no fueron detectadas, lo que puede ser problemático en contextos de planificación que exigen la identificación de todas las áreas sensibles.

La clase C5, que comprende agua y humedales, obtuvo el mejor rendimiento en la identificación de las áreas reales, con un 76% de acierto en la precisión del productor. Esto indica que el modelo posee una buena capacidad para reconocer la presencia de cuerpos de agua. Sin embargo, la precisión del usuario del 56% sugiere que una parte de las áreas clasificadas como agua pudo haber sido confundida con otros elementos de características espectrales similares, como sombras o suelos húmedos, resultando en errores de comisión.

Los principales errores de clasificación observados, particularmente entre áreas de vegetación natural y áreas de plantío, pueden atribuirse a la similaridad de las características espectrales de estas coberturas para el sensor del satélite. Además, el uso de un modelo pre-entrenado global, que no fue ajustado con ejemplos específicos de los paisajes de Bahía, probablemente contribuyó al rendimiento limitado. La época del año de las imágenes de satélite (agosto), período de sequía en el Oeste de Bahía, también pudo haber influido en las divergencias, ya que la vegetación nativa presenta menor vigor y se asemeja a áreas agrícolas cosechadas o en preparación (Jansen; Di Gregorio, 2008).

La diferencia en la resolución temporal entre los datos utilizados también representó una limitación. Mientras que las imágenes Sentinel-2 correspondían a agosto de 2023, los datos de referencia del MapBiomas se consolidaban anualmente. Esta incompatibilidad temporal dificultó una comparación directa y precisa, introduciendo incertidumbres en la validación. En síntesis, la clasificación por deep learning, aunque exploratoria, demostró las limitaciones de transferir un modelo global pre-entrenado a un contexto regional específico sin ajustes o calibraciones locales.

Debido al rendimiento limitado en la validación de la clasificación, los datos derivados del modelo de aprendizaje profundo no se incorporaron cuantitativamente al mapa preliminar de aptitud territorial en esta etapa del estudio. Permanecieron como un producto analítico complementario, utilizado para la caracterización del uso y cobertura de la tierra y para la interpretación del contexto territorial. Esta decisión metodológica fue crucial para preservar la trazabilidad del modelo de aptitud y evitar la propagación de las incertidumbres de la clasificación temática al resultado final de cribado espacial.

Evaluación del Mapa de Aptitud Territorial

La construcción del mapa preliminar de aptitud territorial para la expansión de gasoductos se realizó a partir de la integración de variables físicas del terreno y restricciones socioambientales. Las variables de pendiente y orientación de ladera, derivadas del Modelo Digital de Terreno, fueron reclasificadas en categorías de aptitud. La pendiente se categorizó en apta (inferior al 10%), condicionada (entre el 10% y el 30%) y restringida (superior al 30%), basándose en criterios indicativos de aptitud (Hofig; Araujo Junior, 2015).

Las restricciones socioambientales, como cuerpos de agua y áreas quilombolas, fueron tratadas como restricciones absolutas, siendo representadas por máscaras binarias donde el valor cero indicaba área restringida y el valor uno, área no restringida. Estas máscaras fueron generadas mediante análisis de proximidad, utilizando herramientas de geoprocesamiento. La lógica de integración priorizó las restricciones absolutas y, en ausencia de estas, consideró las restricciones moderadas asociadas a las variables físicas del terreno (Longley et al., 2015).

El mapa de aptitud resultante clasificó el territorio en tres categorías de apoyo a la decisión: Apto, Condicionado/Baja Aptitud y Restringido. Esta jerarquía explícita de criterios y precedencias garantiza la trazabilidad y la reproducibilidad del modelo, convirtiéndolo en una herramienta transparente para el cribado espacial. Es importante destacar que los umbrales adoptados para las variables físicas tienen carácter indicativo y exploratorio, debiendo ser parametrizados conforme a normas técnicas y requisitos específicos de ingeniería en aplicaciones operacionales.

Para un análisis cuantitativo de la distribución espacial de las clases de aptitud, se generaron mil puntos de muestreo aleatorios. La distribución porcentual de estos puntos reveló que la clase Apto es predominante, correspondiendo al 46,3% de las ocurrencias. La categoría Condicionada/Baja Aptitud representó el 37,0% del total de puntos, indicando áreas que requieren consideraciones adicionales o soluciones de ingeniería más complejas para la implantación de gasoductos.

Las áreas Restringidas sumaron el 12,0% de los puntos muestrales, reflejando la aplicación de las reglas de exclusión basadas en las restricciones absolutas, como la presencia de cuerpos de agua y áreas quilombolas. El 4,7% restante correspondió a puntos sin información u otras categorías no clasificadas. Estos porcentajes describen la distribución de las clases de aptitud en el territorio analizado, sirviendo para verificar el comportamiento y la distribución espacial de las reglas implementadas en el modelo preliminar.

El modelo preliminar de aptitud territorial, por lo tanto, no se configura como una solución definitiva de trazado para gasoductos, sino como un instrumento de selección espacial que apoya las etapas iniciales de planificación. Ofrece una estructura transparente de criterios y precedencias para organizar información espacial, ayudando en la priorización de áreas para estudios más detallados. La metodología demostró el potencial de integrar datos de teledetección y geoprocesamiento para proporcionar un soporte inicial robusto a la toma de decisiones en proyectos de infraestructura lineal.

En resumen, la investigación alcanzó su objetivo de desarrollar un marco preliminar de apoyo a la evaluación de la aptitud territorial, utilizando variables físicas del terreno y restricciones socioambientales. Aunque la clasificación de uso y cobertura del suelo por deep learning presentó un rendimiento limitado y no se integró directamente al modelo de aptitud en esta etapa, la exploración individual de estas técnicas, junto con el análisis espacial, constituye un importante soporte inicial para la planificación de infraestructuras lineales, ofreciendo una base transparente para el cribado espacial y la identificación de áreas prioritarias para investigación futura.

4. Conclusión

El estudio tuvo como objetivo desarrollar y aplicar un marco preliminar de apoyo a la evaluación de la aptitud territorial para la expansión de gasoductos, integrando la caracterización del uso y cobertura del suelo mediante deep learning, variables físicas del terreno y restricciones socioambientales. Se observó que la clasificación del uso y cobertura del suelo por deep learning, aunque exploratoria, presentó un rendimiento limitado, con una precisión global del 44,4% y un índice Kappa de 0,305. Este rendimiento imposibilitó su integración directa al modelo de aptitud en esta etapa, debido a desafíos como la similitud espectral entre clases y la ausencia de calibración local del modelo preentrenado. Sin embargo, se estructuró un modelo preliminar de aptitud territorial, categorizado en áreas aptas, condicionadas y restringidas, basándose en la pendiente, la orientación de la ladera y las restricciones socioambientales absolutas, como cuerpos de agua y áreas quilombolas. El análisis por puntos de muestreo indicó que el 46,3% de las áreas fueron clasificadas como aptas, el 37,0% como condicionadas y el 12,0% como restringidas. La principal contribución reside en la proposición de un marco transparente de criterios y precedencias para el cribado espacial, ofreciendo un soporte inicial robusto a la planificación de infraestructuras lineales.

Las limitaciones del estudio incluyeron el rendimiento restringido del modelo de aprendizaje profundo preentrenado, que no se ajustó a las especificidades regionales, y la incompatibilidad temporal entre las imágenes satelitales y los datos de referencia, introduciendo incertidumbres en la validación. Los umbrales de aptitud adoptados para las variables físicas tienen un carácter indicativo y exploratorio, necesitando parametrización conforme a normas de ingeniería en aplicaciones operacionales. Para estudios futuros, se recomienda el entrenamiento y ajuste fino de modelos de aprendizaje profundo con muestras locales, validación temporal en diferentes períodos estacionales y la incorporación de nuevos factores al modelo de aptitud, como proximidad a la red vial, datos geotécnicos y costos de expropiación, además de la aplicación de análisis multicriterio y de sensibilidad. Tales avances mejorarían la robustez y la confiabilidad de los resultados, consolidando la metodología como una herramienta más abarcadora para la planificación territorial de gasoductos.

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Artículo originario del Trabajo de Conclusión de Curso de la Especialización en Data Science y Analytics del MBA USP/Esalq

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