NicaraoSat

Introducción

La minería es una de las actividades más antiguas a nivel mundial, además de ser un indicador básico de las posibilidades de desarrollo de una localidad o región. En algunos países, como Nicaragua, de acuerdo con fuentes oficiales la minería es el rubro de exportación número uno. Asimismo, América Latina se ha convertido en el destino más importante de las inversiones mineras.

Por otro lado, de acuerdo con datos de la CEPAL, América Latina es la zona con más conflictos socioambientales derivados de la explotación minera. Se dice que donde hay una empresa minera, casi invariablemente surge un conflicto. Es por esto que el desarrollo económico generado por la minería debe ir de la mano de la gestión social y ambiental.

La minería a cielo abierto puede agravar los efectos de fenómenos naturales como inundaciones, deslizamientos de tierra y erosión, al alterar la topografía y la cobertura vegetal, y debilitar la estabilidad del suelo. Estos impactos aumentan la vulnerabilidad de las minas y las áreas circundantes frente a eventos climáticos extremos. Utilizando imágenes satelitales de Copernicus, en combinación con datos in situ, es posible monitorear estos cambios y predecir riesgos, lo que permitiría implementar medidas preventivas que reduzcan los desastres y mejoren la gestión de riesgos en la minería a cielo abierto.

La presente propuesta de proyecto busca incentivar el uso de las bases de datos de COPERNICUS para la gestión sostenible de los recursos mineros, y está enfocado en ayudar a mejorar la eficiencia de la actividad minera en países en desarrollo, la propuesta vincula de forma efectiva las principales etapas en la actividad minera: Exploración (Identificación de sitios potenciales para explotación minera), gestión de riesgo (Deslizamientos, estabilidad de suelos durante la operación del proyecto) y monitoreo de riesgos ambientales propios de la actividad minera (Contaminación hídrica, y de suelo), los cuales serán evaluados mediante análisis de percepción remota, equipos de monitoreo en campo, levantamientos en situ para la validación de los modelos propuestos. 

La integración de estas etapas principales en la actividad minera demuestra la rentabilidad de usar las bases de datos COPERNICUS en el sector de materias primas, y muestran como contribuyen a los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de las Naciones Unidas. Ya que se apoya el suministro seguro y sostenible de minerales necesarios para el desarrollo global y tecnológico, NICARAOSAT busca cerrar la brecha tecnológica en países en vías de desarrollo y promover la evolución del sector hacia un futuro más consciente con el medio ambiente, con la adopción de tecnologías más asequibles. 

Importancia de la minería a nivel global 

El director ejecutivo de Anglo American Mark Cutifani, una de las empresas mineras más importantes a nivel mundial, declaró en 2021 que “El 45% de la economía mundial, está impulsada por el sector minero”.  Lo que nos indica el potencial que tiene este sector para la economía mundial, siendo uno de los mercados más atractivos y mejor remunerados.  

Importancia de la minería a nivel nacional 

La actividad minera en Nicaragua es un sector que ha venido en auge y crecimiento en las últimas décadas, y ha contribuido a la economía de una forma muy importante, ya que ha sido una fuente de generación de empleos y generación de divisas a través de las exportaciones. Se estima que en 2023 en sólo 10 meses el país vendió aproximadamente 952 millones de dólares en oro, 24.6 millones más que todo lo vendido en el año 2022, lo que significó un crecimiento importante a nivel nacional.

Según información publicada por el ministerio de energía y minas se han otorgado 299 concesiones mineras, y se prevé que estas aumenten en los próximos años, debido auge que está teniendo la actividad en el país, y sobre todo por las ganancias que genera este rubro. Por lo que es un mercado en crecimiento de alto valor económico. 

2. Desafío

Estamos respondiendo a los desafíos dos y tres respectivamente.

- Predecir y prepararse para futuros desastres, de manera directa mediante la oferta un servicio de monitoreo de riesgos por deslizamiento, dirigido a la industria de minería a cielo abierto. Este servicio les permitirá a los tomadores de decisiones, diseñar planes de contingencia y de respuesta en caso de posibles desastres por deslizamientos inducidos por fenómenos hidrometeorológicos y agravados por las actividades mineras.

- Preservar la biodiversidad y los hábitats en peligro, de manera indirecta mediante la oferta de un servicio de monitoreo ambiental, dirigido a la misma industria, para que se puedan minimizar los impactos ambientales generados por las actividades mineras.

3. Estrategia

• Definición de sitio de estudio, identificación de variables y parámetros para el desarrollo del modelo en cada una de las etapas de desarrollo.
• Descarga de imágenes satelitales de la plataforma de COPERNICUS.
• Procesamiento de imágenes (Correcciones radiométricas, geométricas etc).
• Obtención de información de las bases de datos nacionales (Instituciones responsables de manejar y gestionar información climatológica, geología, litología, fallas, uso de suelo, tipo de suelo etc.)
• Procesamiento de datos de las fuentes nacionales
• Desarrollo de modelos, procesamiento de imágenes e integración de variables en cada una de las etapas del proyecto.
• Diseño de instrumentación en situ para el monitoreo en tiempo real.
• Desarrollo de app para la gestión de los recursos mineros.
• Comercialización y marketing de la propuesta al sector minero a nivel nacional y luego de la región.

A continuación, se describe de forma general el desarrollo de cada objetivo propuesto:

3.1-Identificación de sitios potenciales para la explotación minera y monitoreo ambiental 

Para la identificación de sitios potenciales para la actividad minera (Ver Figura 1) se realizará mediante la integración de datos geológicos, tipo de suelo, modelos digitales de elevación, imágenes satelitales tipo Sentinel 2. 

• Se determinarán los mapas de coberturas en las zonas mediante las bandas visibles de imágenes Sentinel, y los mapas obtenidos se validarán con sitios de entrenamientos en los sitios de estudio. La clasificación supervisada se realizará mediante técnicas de Machine Learning (Random Forest, Decision Trees, Linear Regression), y se procesaran en QGIS y Python para promover el uso de software de código abierto. La validación de las clases encontradas en el análisis de hará mediante índices de consistencia. 
• Con los modelos digitales de elevación se obtendrá la topografía y pendientes de la zona a evaluar.
• Se utilizarán imágenes Sentinel visibles e infrarrojas para caracterizar la mineralización asociada con las zonas de alteración hidrotermal. Se emplearán imágenes Sentinel-2 para detectar características de alteraciones y patrones estructurales. El análisis se realizará mediante Relaciones de bandas (Band Ratios). Las clasificaciones espectrales de la relación de bandas se pueden atribuir así a minerales hidrotermales importantes específicos asociados con zonas de alteración propilítica, fílica, argílica y argílica avanzada. Y de esta forma revelar características espectrales de la superficie asociados a depósitos de minerales en la superficie. 

Para el monitoreo ambiental (Ver Figura 1), y para la completar una gestión ambiental integral el proyecto ofrece el monitoreo ambiental de la actividad minera, pudiendo identificar las afectaciones en el suelo y agua debido a contaminantes provenientes de la minería, mediante la identificación de índices radiométricos, índices geográficos e índices de carga contaminante, índices minerales para identificar las zonas afectadas y se puedan gestionar las estrategias de remediación adecuadas según las normativas vigentes. Todo el análisis esta potenciado con modelos estadísticos de machine Learning lo que permitirá ir aumentando la precisión a medida que se evalúen más sitios. 

Figura 1. Diagrama de flujo para la identificación de sitios potenciales para la minera y monitoreo ambiental.

3.2 Estabilidad de taludes para el análisis de riesgo por deslizamientos

El riesgo de deslizamientos inducidos por fenómenos hidrometeorológicos es un problema complejo que combina diversas variables. La amenaza está relacionada con factores como la precipitación y la intensidad de las lluvias, que desencadenan estos eventos. La susceptibilidad del terreno, determinada por características como el tipo de suelo, la pendiente y el uso del suelo, condiciona la predisposición de la zona a experimentar deslizamientos. Finalmente, la vulnerabilidad se refiere al impacto potencial de estos eventos sobre personas e infraestructuras, según el grado de exposición y las medidas de protección existentes. En zonas mineras de regiones tropicales, estas variables se combinan, aumentando el riesgo de desastres por deslizamientos. Desde el punto de vista ingenieril, el estudio de la amenaza y susceptibilidad se puede englobar dentro del análisis de estabilidad de taludes, que frecuentemente se mide a partir del llamado factor de seguridad del talud.

La complejidad del fenómeno hace que para obtener resultados precisos sea imperativo incluir información de diferentes fuentes, e incluso incorporar técnicas avanzadas de análisis de estabilidad de taludes. Sin embargo, tales técnicas si bien son más precisas, no son eficientes desde el punto de vista operativo. Por ello, nuestra propuesta contempla el entrenamiento de un modelo de Aprendizaje Automático (ML) combinando estas variables con los resultados de un modelo de análisis dinámico del suelo, de forma tal que basado en las variables de entrada se pueda predecir el factor de seguridad del talud (FS). Si el factor de seguridad es menor a 1, el talud es inestable y propenso a deslizamientos; si es mayor a 1, se considera estable.

La metodología se resume mediante un diagrama de flujo (Ver Figura 2), que muestra qué tipo de productos de Copernicus e in situ se utilizarán y el procesamiento requerido en cada caso.

Figura 2. Diagrama de flujo para la evaluación de riesgos por deslizamientos 

Se puede observar que, por un lado, están las variables que se obtendrán directamente de los servicios de Copernicus. Por el otro, están variables también de percepción remota que serán obtenidas a partir de terceros y un último grupo de variables que serán obtenidas mediante monitoreo in situ, tanto a partir de muestras en campo procesadas posteriormente en laboratorio, como a través de la transmisión en tiempo real mediante sensores IoT (Internet de las cosas). Los datos obtenidos mediante percepción remota serán combinados con factores de seguridad determinados mediante modelación dinámica del suelo, para entrenar un modelo de ML como XGBoost.

Por ende, la herramienta emitirá alertas cuando se pronostique que el factor de seguridad del talud en las próximas horas se aproximará a la unidad o peor aún valores inferiores a este, dadas las condiciones previas de humedad del suelo y futuras de precipitación. Para realizar esta modelación dinámica existe software comercial como GEO5, pero también se puede utilizar software libre durante la fase de investigación como OpenFOAM.

Como parte final y para la completar una gestión ambiental integral el proyecto ofrece el monitoreo ambiental de la actividad minera, pudiendo identificar las afectaciones en el suelo y agua debido a contaminantes provenientes de la minería, mediante la identificación de índices radiométricos, índices geográficos e índices de carga contaminante, índices minerales para identificar las zonas afectadas y se puedan gestionar las estrategias de remediación adecuadas según las normativas vigentes. Todo el análisis esta potenciado con modelos estadísticos de machine Learning lo que permitirá ir aumentando la precisión a medida que se evalúen más sitios.

4. Valor agregado de la propuesta

La propuesta tiene un enfoque innovador al incorporar no solamente datos brutos de fuentes in situ en conjunto con datos de percepción remota de Copernicus y terceros, sino procesamiento avanzado de estos datos mediante herramientas de modelación matemática de la estabilidad del suelo.

Por otro lado, desde el punto de vista de negocio, la propuesta tiene un alto potencial considerando que la innovación tecnológica ha sido señalada como uno de los factores clave en los riesgos globales de la minería y que, aunque la industria minera ciertamente ha evolucionado hacia la innovación en Latinoamérica, esta innovación no proviene de los países mineros, sino que estos la importan de países desarrollados (BID, 2022). 

La creación de soluciones locales permite proporcionar precios competitivos en comparación de estas empresas basadas en países desarrollados, donde las tasas de impuestos y salarios son más altas que las existentes en nuestra región. Además, al ser herramientas creadas por nosotros y para nosotros, permiten proporcionar alternativas contextualizadas y basadas en la realidad local.

Otro aspecto innovador es que el proyecto está siendo concebido desde la óptica de la gestión de riesgo por deslizamientos inducidos por fenómenos hidrometeorológicos, en conjunto con el Sistema Nacional para la Prevención de Desastres de Nicaragua (CD-SINAPRED). Esta entidad cuenta con un inventario nacional sobre deslizamientos, así como la caracterización de las condiciones climáticas bajo las cuales ocurrieron estos deslizamientos. Además de eso, cuenta con una estructura organizativa a nivel de barrios y localidades (COBAPRED y COLOPRED) que es vital para la gestión de riesgo a desastres, de modo que para la primera fase se trabajará en conjunto con ellos en la definición de sitios potenciales para estudios de caso. Se pretende lograr la participación comunitaria no sólo a través de la verificación de las alertas detectadas por el modelo, sino mediante el resguardo de los sensores in situ para protegerlos de ser vandalizados, lo cual sería posible solamente con ayuda de los COBAPRED y COLOPRED.

Dicho de otra manera, en la fase inicial el sistema se desarrollará y probará en conjunto con CD-SINAPRED, aspirando a optar a fondos de investigación destinados al tema de la gestión de riesgo a desastres. Una vez que la herramienta pase una primera validación, se seleccionará un complejo minero para su última fase de validación. Aunque no es fácil entrar a un mercado competitivo dominado por empresas extranjeras, estamos seguros de que la relación costo – beneficio de nuestro servicio será uno de los principales factores determinantes a favor de esta propuesta.

4.1 Modelo de negocios

El modelo de negocio permitirá ofertar servicios por suscripción mensual, permitiendo que el cliente seleccione los que sean de su interés y también mapas On-demand a través de nuestro servicio web, en la en la Figura 3, se observa el diagrama de flujo del sistema web diseñado y en la Figura 4, se presenta el diseño del sitio web en desarrollo.

Figura 3. Diagrama de Diseño de Sistema

Figura 4. Interfaz del sitio web NicaraoSAT

Para nuestro socio potencial (CD-SINAPRED) se otorgará una cuenta/cliente que le permita tener una versión casi premium de todos nuestros servicios. Se dice casi premium porque estamos conscientes de que para la precisión del modelo es fundamental la asimilación de datos, lo que probablemente no esté dentro de las posibilidades económicas de CD-SINAPRED. De este modo, la empresa contribuye no solamente al desarrollo tecnológico, la investigación, generación de empleos en el país; sino también reafirma su compromiso social mediante la puesta a disposición de esta herramienta como sistema de alerta temprana por deslizamientos inducidos por fenómenos hidrometeorológicos para mejorar la gestión de riesgo a desastres en nuestro país.

5. Integrantes del equipo

Esta propuesta ha sido desarrollada por un equipo multidisciplinario, vital para el análisis de riesgo a desastres, que cuentan con los conocimientos necesarios para su puesta en marcha: 

• Edwin Antonio Ojeda Olivares: Investigador, Ingeniero Civil, especialista en conservación y aprovechamiento de recursos naturales, modelación matemática, sistemas de información geográficos y percepción remota. Será la persona que realice la integración de variables en el modelo propuesto, calibración y validación, además del procesamiento de imágenes, en cuanto a análisis de cobertura vegetal, exploración de sitios potenciales, pendientes del terreno, monitoreo ambiental mediante percepción remota etc.
• Mijail Datalí Chamorro Ríos: Ingeniero Civil, como especialista en geotecnia se encargará de realizar el análisis de estabilidad de taludes, identificación de variables para el análisis de riesgos por deslizamientos y diseño de instrumentación in situ.
• Laura Castilla: futura Arquitecta, responsable de edición de recursos digitales y de marketing.
• Carlos Ruíz: futuro Ingeniero en Computación, será el responsable de la programación de la interfaz de la app. comercial y descarga de datos de los portales correspondientes.
• Jassy Danisse Rivera Solís: Investigadora, Ingeniera Civil, especialista en CFD, hidrología y meteorología. Es la responsable de integrar la estrategia, así como el desarrollo del modelo propuesto selección e integración de variables, calibración y validación, además del procesamiento de imágenes para obtención de datos de precipitación, etc.

 6. Notas y Anexos 

Las imágenes cuentan con hipervínculo, si se desea verla en mejor resolución. A continuación se deja la interfaz gráfica de lo que sería el sitio web de NicaraoSat y su repositorio de Github donde se colocó el código fuente para el desarrollo de la página web y, a manera de ejemplo, un script de python en jupyter notebook para la implementación del algoritmo Random Forest a imágenes de Sentinel-2.

https://nicarao-sat.vercel.app/

https://github.com/NicaraoSat 

Link al video:

https://vimeo.com/manage/videos/1023832891