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Identificación de zonas inundables en Bogotá mediante análisis de imágenes satelitales sentinel y técnicas de clasificación basadas en inteligencia artificial

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2026-09-24

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Villamizar Martín, Daniela Fernanda; Soño Cañarete, Andrés Felipe (2026). Identificación de zonas inundables en Bogotá mediante análisis de imágenes satelitales sentinel y técnicas de clasificación basadas en inteligencia artificial. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. https://hdl.handle.net/11349/103972

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Resumen

Floods constitute one of the most recurring natural hazards in Colombia, causing significant impacts on infrastructure, the environment, and the population's quality of life. According to the National Water Study (2018) by the Institute of Hydrology, Meteorology and Environmental Studies (IDEAM), approximately 190,935 km² of the national territory exhibit conditions prone to flooding, which corresponds to 17% of the country's continental area (IDIGER, 2021). Focusing on the target city evaluated in this study, the identification of flood-prone areas is a critical component of urban planning and risk management. Climate variability, rapid urban growth, and deficiencies in drainage systems have contributed to frequent flooding across various localities within the city. To address this issue, this project proposes the use of Sentinel-1 and Sentinel-2 satellite imagery: Sentinel-1 for terrestrial observation under any weather condition, and Sentinel-2 for validation using optical imagery. These satellites provide radar imagery for numerous applications; Synthetic Aperture Radar (SAR) images represent the most effective method for monitoring land subsidence and structural damage. The ability of these satellites to deliver information under all weather conditions, both day and night, makes them ideal for maritime and Arctic monitoring. According to the official Copernicus program portal, Sentinel-1 is specifically designed to provide imagery for rapid response to natural disasters such as floods or earthquakes. Approximately 75% of natural disasters are flood-related. SAR satellites possess an inherent capacity to capture images without cloud interference. Furthermore, Sentinel provides frequent monitoring, making these satellites ideal for flood assessment. This monitoring can be used to estimate the extent of flooded areas, thereby evaluating human, economic, and environmental impacts. High-resolution Digital Elevation Models (DEMs), through interferometric techniques (InSAR) applied to Sentinel-1 image pairs, can be used to conduct runoff and flood analyses in data-scarce regions (Copernicus, n.d.). Sentinel imagery is freely available via the Copernicus Open Access Hub and can be processed using software such as QGIS or Google Earth Engine. This project aims to implement machine learning algorithms to automate the detection of flooded areas, comparing their accuracy with traditional spectral index-based methods (NDWI). Through this approach, it is expected to demonstrate that artificial intelligence classification optimizes flood risk management compared to traditional methods that rely on slower, manual processing (EOS, n.d.). Following image processing in Google Earth Engine, a multitemporal analysis of heavy rainfall and drought events in the water bodies of Bogotá is presented. Subsequently, a U-Net artificial intelligence model is trained using 46,376 georeferenced patches of 256 x 256 pixels as input data. Finally, model performance is evaluated using standard metrics: Accuracy, Precision, Recall, F1-Score, and the Kappa Index (Jamali et al., 2024; Lan & Wang, 2025). This evaluation is conducted on a pixel-by-pixel basis over a massive validation set to verify the network's ability to accurately discriminate dry land from water bodies. Through the confusion matrix, correct classifications and errors (false positives and false negatives) are quantified (Jamali et al., 2024), validating the hypothesis that AI identifies flood-prone areas with greater precision than traditional methods. The final results facilitate the recognition of spatial recurrence patterns, which are essential for generating risk projections toward the year 2030 and supporting decision-making processes in the land-use planning of Bogotá (Saleh et al., 2024; Lan & Wang, 2025).

Descripción

Las inundaciones constituyen una de las amenazas naturales más recurrentes en Colombia, con impactos significativos en la infraestructura, el medio ambiente y la calidad de vida de la población. Según el Estudio Nacional del Agua (2018) del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM), aproximadamente 190.935 km² del territorio nacional presentan condiciones propicias para la inundación, lo que equivale al 17 % del área continental del país. (IDIGER, 2021) Al centrarnos en la ciudad en la cual se evaluará en este trabajo, la identificación de zonas inundables es un componente clave para la planificación urbana y la gestión del riesgo. La variación climática, el crecimiento urbano acelerado y la deficiencia en los sistemas de drenaje han contribuido a que se presenten de manera frecuente inundaciones en las diferentes localidades de la ciudad. Para abordar este problema, este proyecto propone el uso de imágenes satelitales Sentinel-1 y Sentinel-2, Sentinel-1 para detección de datos de observación terrestre en cualquier condición metodológica y Sentinel-2 para validación con imágenes ópticas, estos satélites entregan imágenes de radar para numerosas aplicaciones, las imágenes tipo SAR son la mejor forma para monitorear subsidencias o hundimientos de tierra y también daños estructurales. La habilidad que poseen estos satélites para entregar información en todas las condiciones meteorológicas, y en condiciones de día o noche, los hace ideales para monitoreos marítimos y árticos. Según el sitio oficial del programa Copernicus, Sentinel-1 está diseñado específicamente para proveer imágenes para tener una respuesta rápida ante desastres naturales como inundaciones o terremotos. Alrededor del 75% de los desastres naturales tienen que ver con inundaciones, los satélites SAR tienen una capacidad inherente para observar imágenes sin que las nubes interfieran en el proceso, además, Sentinel realiza monitoreos frecuentes, haciendo que estos satélites sean ideales para monitorear inundaciones, estos monitoreos pueden ser usados para estimar la extensión de áreas inundadas, de esta manera se evalúa el impacto de pérdidas humanas, económicas y ambientales. Los modelos de elevación digitales de alta resolución (DEMs), mediante técnicas interferométricas (InSAR) aplicadas a pares de imágenes Sentinel-1, pueden ser usados para llevar a cabo análisis de escorrentía e inundaciones en zonas donde hay insuficiencia de datos. (Copernicus, s.f.) Las imágenes Sentinel se pueden obtener de manera gratuita a través de Copernicus Open Access Hub, y pueden ser procesadas manualmente al usar software como Qgis o Google Earth Engine, donde se busca implementar algoritmos de aprendizaje automático para automatizar la detección de áreas inundadas, al comparar su precisión con métodos basados en índices espectrales (NDWI) tradicionales, de esta manera se espera demostrar que la clasificación por inteligencia artificial optimice las gestión del riesgo de inundaciones respecto a los métodos tradicionales donde se requieren procesos manuales y más lentos. (EOS, s.f.) Al haber procesado las imágenes en Google Earth Engine, se presenta el análisis multitemporal de los eventos de lluvias intensas y sequía en los espejos de agua de la ciudad de Bogotá, posteriormente, se alimenta un modelo de inteligencia artificial U-Net, cuyos datos de entrada son 46,376 parches de 256 x 256 píxeles georreferenciados, finalmente se evalúa el desempeño del modelo mediante las métricas Accuracy (Precisión Global), Precisión, Sensibilidad (Recall), F1-Score e Índice Kappa (Jamali et al., 2024; Lan & Wang, 2025). Esta evaluación se lleva a cabo píxel a píxel sobre un conjunto de validación masivo para verificar la capacidad de la red en discriminar con exactitud la tierra firme de las superficies con presencia de agua. A través de la matriz de confusión, se cuantifican los aciertos y errores, falsos positivos y negativos (Jamali et al., 2024), lo que permite validar la hipótesis de que la IA identifica zonas inundables con mayor precisión que los métodos tradicionales. Los resultados finales facilitan el reconocimiento de patrones de recurrencia espacial, fundamentales para generar proyecciones de riesgo hacia el año 2030 y apoyar la toma de decisiones en el ordenamiento territorial de Bogotá (Saleh et al., 2024; Lan & Wang, 2025).

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