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Modelado predictivo de la incidencia del deterioro del arbolado urbano con aprendizaje automático y GIS: implementación de servicios geográficos web para una zonificación de manejo para la ciudad de Cali - Colombia

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2026-05-08

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Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

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Hurtado Vásquez, Cristian Camilo (2026). Modelado predictivo de la incidencia del deterioro del arbolado urbano con aprendizaje automático y GIS: implementación de servicios geográficos web para una zonificación de manejo para la ciudad de Cali - Colombia. Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/101540

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Resumen

The city of Santiago de Cali, the third most populated city in Colombia with more than 1.5 million inhabitants, faces a critical challenge in the management of its urban tree population. Of the 291,088 inventoried trees, more than 80% of the most important native species exhibit some form of deterioration, while annual maintenance costs exceed one billion Colombian pesos without achieving intervention on even 7% of the total population. In response to this issue, this study developed a predictive model based on data mining techniques (decision trees with k=10 cross-validation and class balancing) and Geographic Information Systems (GIS), integrating 22 deterioration-related variables (exposed roots, bacteriosis, girdling, improper pruning practices, among others) together with physical and environmental variables such as temperature, precipitation, humidity, air pollutants (PM10, PM2.5, NO2, O3, SO2), urban infrastructure, and socioeconomic conditions. The results demonstrated robust model performance, achieving F1-scores above 0.91 for species such as Pithecellobium dulce and Melicoccus bijugatus. The analysis identified annual rainfall, humidity, temperature, and atmospheric pollutants (particularly PM2.5 and NO2) as the most influential variables associated with tree deterioration. A probability zoning map of deterioration risk was generated using a 50 × 50 m grid covering the 12,019.6 ha urban area, revealing that more than 60% of the territory presents a high probability of deterioration for most species. Nevertheless, specific areas located mainly in southern and central Cali, associated with parks and green areas, exhibited low deterioration probability for species such as Roystonea oleracea, with approximately 4,741 ha classified as low-risk zones. Finally, the study published an interactive web-based geovisor through ArcGIS Online Geovisor, enabling species-specific consultation of management zoning maps and unsuitable planting areas. This platform constitutes a decision-support tool for environmental authorities such as DAGMA and CVC. The study concludes that the integration of data mining and GIS provides a replicable methodology for evidence-based urban forestry management and recommends improving pruning practices, evaluating more advanced machine learning models (e.g., Random Forest and XGBoost), and implementing permanent interinstitutional strategies for the preservation of urban trees.

Descripción

La ciudad de Santiago de Cali, la tercera más poblada de Colombia con más de 1.5 millones de habitantes, enfrenta una grave problemática en la gestión de su arbolado urbano: de los 291.088 individuos censados, más del 80% de las especies nativas más importantes presentan algún tipo de afectación, y los costos anuales de mantenimiento superan los mil millones de pesos sin lograr intervenir ni el 7% del total. Ante esta situación, el estudio desarrolló un modelo predictivo basado en minería de datos (árboles de decisión con validación cruzada k=10 y balance de clases) y sistemas de información geográfica (SIG), integrando 22 variables de afectación (raíces expuestas, bacteriosis, anillamiento, podas antitécnicas, etc.) con variables físico-ambientales como temperatura, precipitación, humedad, contaminantes (PM10, PM2.5, NO2, O3, SO2), infraestructura urbana y condiciones socioeconómicas. Los resultados mostraron un rendimiento robusto de los modelos, alcanzando métricas F1-score superiores a 0,91 para especies como Pithecellobium dulce y Melicoccus bijugatus, identificando que las variables más relevantes en el deterioro son la lluvia anual, la humedad, la temperatura y los contaminantes PM2.5 y NO2. Se generó una zonificación de probabilidad de afectación en una cuadrícula de 50×50 m sobre las 12.019,6 ha del área urbana, evidenciando que más del 60% del territorio presenta alta probabilidad de deterioro para la mayoría de las especies, aunque se identificaron zonas específicas (como el sur y centro de Cali, asociadas a parques y áreas verdes) con baja probabilidad para especies como Roystonea oleracea (4.741 ha sin riesgo). Finalmente, el estudio publicó un geovisor web interactivo (https://arcg.is/1vvCTG0) que permite consultar por especie los mapas de manejo y las áreas donde no se recomienda la siembra, constituyendo una herramienta de apoyo para la toma de decisiones de entidades como el DAGMA y la CVC. Se concluye que la integración de minería de datos y SIG ofrece una metodología replicable para la silvicultura urbana basada en evidencia cuantitativa, y se recomienda mejorar las prácticas de poda, evaluar modelos más complejos (bosques aleatorios, XGBoost) e implementar estrategias interinstitucionales permanentes para la preservación del arbolado urbano.

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