U NIVERSIDAD DE C HILE
Departamento de Ciencias Ambientales y Recursos Naturales Renovables Laboratorio de Investigación en Ciencias Ambientales LARES
Facultad de Ciencias Agronómicas
FUNDAMENTOS DE SISTEMAS DE INFORMACION GEOGRAFICA
AGRONOMIA
Dr. Luis Morales Salinas
2018
INTRODUCCION
Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) junto a la Teledetección o Percepción Remota, se han convertido en dos herramientas fundamentales en las Ciencias de la Ingeniería. En efecto, las distintas disciplinas de desarrollo en ingeniería, como Civil, Minas, de la Tierra, Geografía, Agronomía y Forestal entre algunas, deben hoy trabajar en el área profesional con la adquisición y manejo de información espacial para apoyar la gestión pública y privada. Es importante, para el futuro profesional, el conocer y aplicar las herramientas necesarias que ofrece la geomática para apoyar esta gestión tanto a nivel predial como territorial.
El curso está dirigido a estudiantes de la Carrera de Agronomía de la Facultad de Ciencias Agronómicas, con aplicaciones en las distintas áreas de especialización, Suelos, Riego, Topografía, Diseño y agricultura de precisión.
COMPETENCIAS DE LA ASIGNATURA (Resultados de Aprendizaje)
• Comprende las bases teóricas, metodológicas y prácticas de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) con énfasis en aplicaciones profesionales en la resolución de problemas relacionados con la Ingeniería Agronómica.
• Aplica los conceptos de SIG en el desarrollo de proyectos y cartografía aplicada a la gestión agrícola y territorial, utilizando software de Sistemas de Información geográfica
ESTRATEGIAS METODOLÓGICAS (de enseñanza –aprendizaje)
El presente curso presenta los conocimientos y las aplicaciones en tres capítulos, dos teóricos y uno práctico. Estos capítulos incluirán información geográfica, técnicas de representación, manejo de información espacial con software libre, edición y reproducción cartográfica, todo ello con aplicaciones a la ingeniería agronómica.
La modalidad del curso es de tipo presencial, con clases expositivas de carácter teórico- práctico con apoyo audiovisual y guías de trabajo individual. Este conocimiento teórico es complementado con prácticas en el laboratorio de informática, donde el estudiante aplicará los conocimientos adquiridos en aplicaciones prácticas.
Las clases prácticas serán realizadas con software de distribución libre para evitar problemas con las licencias respectivas. Estas clases se dictarán en la sala de computación especial, implementada con el software correspondiente. Sin embargo, si
así se determinase por los propios alumnos, se utilizarían los equipos personales de computación, donde se instalarían los programas necesarios. Los programas específicos deberán ser descargados por los alumnos, que es parte del aprendizaje. Adicionalmente se conformarán grupos de trabajo con el objetivo de hacer trabajos y exponerlos. En la evaluación de la exposición de los trabajos grupales participarán todos los alumnos del curso.
RECURSOS DOCENTES:
Equipos audiovisuales. Guías de trabajo a la actividad docente teórica y práctica.
Análisis de casos reales. Pautas de autoevaluación.
Clases teóricas y prácticas.
Equipos computacionales. Software libre de sistemas de información geográfica.
CONTENIDOS
1 Introducción a la geomática Historia y desarrollo de los sistemas de información geográfica; Definiciones básicas; Información espacial, componentes de un sistema de información geográfica; Estructura de datos espaciales.
2 Nociones de cartografía Historia, desarrollo y objetivo de la cartografía;
Cartografía como ciencia; Nociones de geodesia;
Representación y modelo de la superficie terrestre;
Sistemas de proyección cartográfica. Bases de datos públicas en Chile.
3 Sistemas vectoriales y matriciales (raster)
3.1 Análisis vectorial en SIG Edición de elementos vectoriales y atributos, Consultas y búsqueda espacial y temática, Análisis de vecindad y proximidad, Corredores y áreas de influencia, Reclasificación, Disolución, Fusión, Superposición, Unión e intersección, Polígonos de Thiessen o Voronoi, Conversión vector-raster.
3.2 Análisis raster en SIG Reclasificación, Estadística de la imagen, Algebra de imágenes, Interpolación espacial, Modelos digitales del terreno, pendientes, exposición, iluminación, curvatura, visibilidad, delimitación de cuencas. Nociones de Teledetección satelital y aérea. Imágenes aéreas. Procesamiento digital básico.
3.3 Adquisición de información Mecanismos para la adquisición de datos espaciales;
Compra de información; Recopilación en terreno;
Internet; Servidores de bases de datos públicas;
Escaneado; Digitalización en mesa y pantalla.
4 Sistemas de
posicionamiento global (GPS)
Historia; Conceptos generales; Sistemas actuales;
Estructura y base de funcionamiento; Errores de posición; Receptores comerciales; Operación de equipos y aplicaciones.
5 Elaboración y edición de mapas
Conceptos generales; Estructura y características;
Elementos cartográficos; Adición y enlace de información espacial; Mapas usados de fondo;
Información base; GoogleEarth; GoogleMaps;
Exportar e importar; Creación y diseño de plantillas de mapas.
PROFESORES PARTICIPANTES
Profesor Departamento Especialidad o área Luis Morales Salinas
José Neira Román Cs. Ambientales Geomática
Ayudante Departamento Especialidad o área Guillermo Fuentes Jaque Cs. Ambientales Geomática
EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE.
Instrumentos Ponderación Catedra I
25%
Catedra II
25%
Catedra III
25%
Talleres y trabajos de
Laboratorio 25%
__________________________ ___________________
Nota de Presentación 75%
EXAMEN 25%
BIBLIOGRAFÍA
Bosque Sendra, J., F. Escobar Martinez, E. García Hernandez y M. Saldo García. 1994. Sistemas de Información Geográfica: Prácticas con PC ArcInfo e Idrisi. Ed. Ra-ma. pp. 477.
Burrough, P.A. 1986. Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. Oxford. pp. 194.
Chuvieco, E., 2002. Teledetección ambiental - La observación de la tierra desde el espacio.
Ed. Ariel, pp. 586.
Felicísimo, A. M., 1994. Modelos Digitales del Terreno. Oviedo (España): Pentalfa. ISBN:84-7848- 475-2
Haines-Young, R., Green, D. y Cousins, S., 1993. Landscape Ecology and GIS Ed. Taylor
& Francis, pp.288.
Herrera G., Victor. 2012. Ambiente para todos Elementos de cartografía y teledetección para ambiente. Editorial U. de Santiago de Chile.
Lillesand, T. M. & Kiefer R. 2000. Remote Sensing and Image Interpretation. EEUU. pp. 724.
Mena F., Carlos. 2005. Geomática para la ordenación del territorio. Editorial Universidad de Talca, 316 pp.
Pinilla Carlos (1995). Elementos de Teledetección. Editorial RA-MA. Madrid. España.
Richards, John (1986). Remote Sensing Digital Image Analisys An Introduction, Springer Verlang, Alemania.
Siu-Ngan, N. 1983. Spatial Interpolation Methods: A Review. The American Cartographer, vol. 10 Nº 2, pp. 129-149.
RECURSOS WEB
N° Página web Descripción
1 http://www.qgis.org QGIS
2 http://mappinggis.com/ Mapping GIS
3 http://www.gabrielortiz.com/ Comunidad de SIG Gabriel Ortiz 4 http://geoinnova.org/blog-territorio/100-
herramientas-y-recursos-sig-aplicados-al-medio- ambiente/
SIG aplicados al medioambiente
5 http://www.ide.cl/ Infraestructura de Datos Geoespaciales de Chile.
6 http://www.ciren.cl/ Centro de Información de Recursos Naturales
7 https://www.bcn.cl/ Biblioteca del Congreso Nacional
8 http://rulamahue.cl/ Cartografía Rulamahue UFRO
9 http://mundocartogeo.blogspot.cl/ Información cartográfica variada 10 http://data.geocomm.com/ The GIS data depot.
CAPITULO 1
INTRODUCCION A LA GEOMATICA
Que es un Sistema de Información Geográfica, una pregunta no trivial cuando se inicia en esta intrincada disciplina. Podemos dar una definición simplificada como y decir que un SIG es una "Herramienta informática para la manipulación y análisis de datos georreferenciados orientada a la toma de decisiones". Un definición bastante simple y que nos comunica la esencia de la misma, sin embargo vamos a citar dos definiciones mas, por ejemplo un SIG para IGAC (Instituto Geográfico Agustín Codazzi) es un "Conjunto de métodos, herramientas y actividades que actúan coordinada y sistemáticamente para recolectar, almacenar, validar, manipular, integrar, analizar, actualizar, extraer y desplegar información, tanto gráfica como descriptiva de los elementos considerados, con el fin de satisfacer múltiples propósitos". Ahora para NCGIA (National Center for Geographic Information Systems and Analysis), un SIG es "Un sistema de hardware, software y procedimientos diseñado para realizar la captura, almacenamiento, manipulación, análisis, modelación y representación de datos referenciados espacialmente para la resolución de problemas complejos de planificación y gestión". Podemos entonces observar que todas las definiciones convergen en los mismos puntos de vista, una integración de herramientas para la gestión de datos espaciales. Los SIG (Geographic Information System, GIS en inglés) son una tecnología, que, en su contexto general, puede ser caracterizado como una herramienta que permiten la disponibilidad rápida y confiable de información espacial para resolver problemas y tomar decisiones.
1.1.- Historia de los SIG
Podríamos que los SIG nacen cuando existió la necesidad de hacer mapas para representar el territorio con el objetivo de hacer una gestión eficiente del mismo.
No tenían la misma apariencia que los actuales, sin embargo, conceptualmente eran muy similares. Por ejemplo, en el Antiguo Egipto, se utilizaban mapas para la planificación de las actividades agrícolas en torno al Nilo y su dinámica estacional.
Trabajos aplicados como este llevaron a una evolución más profunda, no solo de la cartografía, sino que además de conceptualizaciones y métodos más precisos aplicados al análisis del entorno geográfico.
Uno de los celebres cartógrafos que de alguna manera está relacionado con los SIG (Uno de los más famosos lleva su nombre) fué Abū Abd Allāh Muhammad Al- Idrīsī (1100 - 1165 o 1166; en árabe: يسيردلإا دمحم هّللا دبع وبأ) simplemente
Al-Idrisi o El Idrisi. Fue un cartógrafo, geógrafo y viajero hispanomusulmán que vivió y desarrolló la mayor parte de su obra en la corte de Roger II de Sicilia, establecida en Palermo. Natural de Ceuta, vivió en el s. XII, sin que conozcamos las fechas exactas de su nacimiento y muerte. Es figura destacada entre los geógrafos árabes. Su nombre era lo tomó el de su bisabuelo Idris II, rey de Almería. Viajó por España y otros países de Europa, África del Norte y Asia Menor. A mediados del s. x11, se encontraba en Sicilia; en Palermo, la capital, estuvo al servicio del rey Roger 11. En cumplimiento de los deseos de dicho monarca, compuso, y terminó en 1154, el Libro de Roger o Diversión para el que desee recorrer el mundo; también construyó una esfera celeste de plata y un planisferio también de plata, perdidos una y otro. De este tratado de geografía se conservan ejemplares en París y Oxford con 70 mapas; fue conocido en Europa hacia fines del s. xvl, por la traducción al latín de un mal resumen de la obra, hecha por los maronitas Gabriel Sionita y Juan Hesronita. Amadeo laubert traduce al francés la obra completa de I., publicada en dos tomos en 1836 y 1840. Dozy traduce al español la parte correspondiente a la península Ibérica, labor completada después por Eduardo Saavedra.
Figura 1.1.- Al Idrisi junto a su mapa construido en el año 1154.
Una de las primeras aplicaciones modernas de los SIG se remonta a 1854 en Londres, Inglaterra, donde el Dr. John Snow (York, 15 de marzo de 1813 – † Londres, 16 de junio de 1858) quien fuera un médico inglés (considerado precursor y padre de la epidemiología moderna) trazó la ubicación de las casas en el mapa de la ciudad donde las personas estaban infectadas con el cólera, una primera aproximación a la cartografía temática.
Figura 1.2.- (a) John Snow y (b) el mapa trazado en Londres para conocer la ubicación de las casas infectadas con cólera en 1854.
El mapa realizado, contenía la ubicación en la ciudad de los decesos producidos, al parecer una forma simple, sin embargo, esta representación cartográfica mostraba la conexión entre la incidencia y la concentración.
En efecto, la mayor cantidad de las muertes se habían originado en las proximidades de Broad Street, donde se una bomba de agua, al parecer la explicación de este macabro fenómeno. A la izquierda de este relato se muestra una réplica de la fatídica bomba de agua.
Finalmente, el misterio quedo resuelto cuando la finalización de la investigación dio como causa la filtración de un pozo negro adjunto quien contaminó las aguas del pozo. Este suceso muestra la importancia de la visión espacial para explicar fenómenos cuya naturaleza no queda al descubierto utilizando métodos tradicionales.
Otro hecho importante es que hacia 1870 una empresa de trenes en Irlanda organizó un sistema de información geográfica, empleando para ello la superposición de acetatos, o láminas utilizadas en la producción fotográfica, como se muestra de ejemplo en la figura adjunta al texto.
No fue sino hasta la aparición de los equipos computacionales que las primeras aplicaciones informáticas aparecieron. Por ejemplo hacia los años 50 aparecieron las primeras aplicaciones de software de cartografía automatizada (CAD y CAM) y las primeras bases de datos. Pero solo hacia finales de los años 60′s aparecieron los primeros sistemas que permitían la integración de figuras y bases de datos. En el Año 1962, en Canadá, aparece el Primer Sistema de Información Geográfica (CGIS) asociada con la gestión de los Recursos Naturales.
Fue Roger Tomlinson quien estuvo a cargo de la creación de un SIG para almacenar, analizar y manipular los datos recopilados para el Inventario de Tierras de Canadá CLI (Canada Land Inventory). Este sistema fue solicitado por el Departamento de Agricultura de Canadá, lo que se considera como el primer sistema de información geográfica orientado a la planificación del territorio y a la gestión de sus recursos naturales.
Este SIG, que hoy podríamos decir que era del tipo vectorial (polígonos) se encontraba orientado al manejo de bosques. Curiosamente dos de sus creadores se retiraron del proyecto, el primero John Herring creó INTERGRAPH y el segundo Jack Dangermount creó ESRI, quien desarrolló el actual software que nos convoca en este curso ArcGis.
Hacia 1964, en "Harvard Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis", de la Universidad de Harvard, se desarrolla SYMAP (Synagraphic Mapping Technique) que corresponde a una técnica sinagráfica para la construcción de mapas por medio de computadoras. Este programa era capaz de representar información espacial por medio de gráficos generados por un código computacional. Este método correspondió a un avance importante que abrió el camino para los SIG actuales, tal cual los conocemos. Originalmente los mapas se
generaban utilizando combinaciones de símbolos alfanuméricas, ahora llamado código ASCII, hacia una impresora conectada en línea con el computador. Con este método se emulaban las actuales escalas de grises que representaban coropletas o isopletas de una determinada variable espacial. La figura 1.6 y la 1.7 muestran ejemplos de los mapas producidos por este método, bastante rudimentario para los sistemas actuales, sin embargo, un gran avance que permitió la evolución actual.
Figura 1.6.- Ejemplo de la cartografía temática generada con el sistema SYMAP.
Desde los años 60′s y hasta mediados de los años 70′s los SIG se orientaron al manejo de la información grafica y un registro único, pero no se podía realizar en los años 70's se desarrollaron algoritmos numéricos que permitían analizar espacialmente los datos, generando las posiciones relativas mediante topología en capas de información(layers). A esta forma de trabajo en los SIG se le denomina modelo orientado a capas, que se impuso en los años 80´s y aun perdura, ya que es el método más práctico y comercialmente distribuida. En 1985 un grupo de ingleses crearon el modelo orientado a objetos, donde se considera el espacio
se configura como la integración de objetos. Esta forma de trabajo en los SIG se aplica en los años 90′s en los software desarrollados en América y hasta ahora.
Figura 1.7.- Ejemplo de la cartografía temática generada con el sistema SYMAP.
En el año 1967 se crea el proyecto denominado Unidad de Cartografía Experimental (The Experimental Cartography Unit ECU) en el Royal College of Art de Londres por David P. Bickmore. La figura siguiente muestra un mapa de la época donde se muestra la costa junto a la red hidrográfica a una escala 1:50000 en Inglaterra elaborada en este grupo de trabajo.
Otro ejemplo histórico en el desarrollo de los SIF es Dual Independent Map Encoding (DIME) es un sistema de codificación desarrollado por la Oficina de Censos de USA para el almacenamiento eficiente de datos geográficos y fue un desarrollo técnico clave en el desarrollo hacia los SIG modernos. El desarrollo de DIME fue dirigido por el matemático James Corbett junto a un grupo de investigadores, donde se presenta las ideas básicas del paradigma de vector para los programadores que crearon el protocolo DIME.
Figura 1.8.- La figura de la izquierda muestra una máquina automática eléctrica de tarjetas perforadas (1910) y a la derecha el funcionamiento de un clasificador de tarjetas(1920). Ambos sistemas eran usados para ingresar información en las computadoras de la época para realizar la estadística de los datos recopilados por la Oficina de Censos de USA.
Figura1.9.- Joseph Marie Charles conocido como Joseph Marie Jacquard (1752 - 1834), quien fue un tejedor y comerciante francés que desarrolló el primer telar programable con tarjetas perforadas (El telar de Jacquard). Durante más de la primera mitad del siglo 20 se utilizaron para alimentar a los computadores con datos, entre ellos los SIG.
Hasta ahora hemos visto que los SIG se encuentran estrechamente relacionados con la informática, y como ella, han evolucionado a través de una serie de etapas propias de la tecnología. Podemos mencionar las siguientes fases (http://juliangiraldo.wordpress.com/sig/historiasig/)
1. Período de conceptualización: 1975- 1985. El enfoque era netamente cartográfico y de naturaleza geográfica. El objetivo era determinar cómo llevar la creación de mapas al medio digital.
2. Período de implementación: 1985-95 Sigue siendo un enfoque geocéntrico, pero surge la necesidad de integrar el aspecto Sistemas de información con el aspecto geográfico (almacenar, recuperar, alterar, retroalimentar datos geográficos).
3. Período de maduración: 1995- Más aplicaciones, mejoramiento de software, trabajo abiertos, interdisciplinarios más expansivos, etc. Enfoque informático-céntrico.
4. Período de apertura: 1998- Los SIG llegan a un punto de apertura y expansión sin precedentes gracias a las fuerzas de la tecnología informática que requieren sistemas abiertos, interoperables y de integración, y gracias al mundo del Internet y su World Wide web.
5. Los SIG siglo XXI: Una integración de información geográfica mundial, acceso a datos espaciales interregionales mediante la operatibilidad virtual.
Finalmente podemos decir que la tecnología de los SIG está en fase con la evolución del mundo, nutriéndose de los avances tecnológicos y científicos, que van configurando el desarrollo de estos sistemas.
1.2.- Componentes de un SIG
Un SIG lo podemos conceptualizar en base a su arquitectura de software y a su función en la relación con el usuario, definiendo varios subsistemas como componentes de un sistema general. En este sentido, podemos definir
Subsistema de Entrada: Realiza la captura y transformación de datos análogos tales como mapas impresos, registros alfanuméricos en papel y observaciones de campo. Del mismo modo, convierte la información digital proveniente de sensores remotos u otros sistemas de información, a una plataforma compatible con lenguaje computacional del SIG.
Subsistema de manejo: Es el subsistema que permite el almacenamiento, ordenación y recuperación de datos. Esta organización es posible gracias a programas conocidos como Sistemas de administración de bases de datos (SABD) que permiten manejar datos espaciales digitales. Mediante las bases de datos y los SABD se obtiene una administración de datos que permiten su consulta, tratamiento de datos derivados y su retroalimentación.
Subsistema de análisis: Existen muchos análisis en SIG, desde la sencillez de la comparación de objetos según sus atributos hasta complejos análisis de rutas eficientes en tiempo y distancia. Son típicos análisis en los paquetes de SIG el análisis espacial, análisis de proximidad, análisis de redes y análisis en tercera dimensión, entre otros. El éxito de estas operaciones recae en la calidad y preparación de la información a ser analizada. Se requiere de una correcta conceptualización de las tareas de análisis previa a su ejecución.
Subsistema de salida: Es el subsistema que comprende la presentación de los datos y despliegue de resultados derivados del subsistema de análisis. La salida de datos corresponde tanto a un despliegue gráfico (mapas, gráficas) como alfanuméricos (tablas, reportes). A su vez la salida puede generarse tanto en formatos análogos como digitales que puedan ser exportados mediante diversos medios a otro SIG u otro software similar. Entre los dispositivos de salida en SIG, figuran Terminales y puertos de salida, Impresoras, Plotters, Discos de almacenamiento, Medios ópticos, entre algunos.
Los SIG brindan el salto del mapa impreso en papel al manejo de mapas digitales y el salto a la superposición digital. A diferencia de la cartografía digital, que no va más allá de la ubicación de los objetos, los SIG no sólo nos permiten manipular los elementos de un mapa sino relacionar cada objeto con una información más amplia y establecer relaciones espaciales y de carácter. Los SIG permiten análisis matemático y salidas gráficas para visualizar resultados parciales y finales de un trabajo. Como los SIG manejan la base de datos por un lado y la presentación por otro, se pueden generar muchos mapas desde los mismos datos. La naturaleza interdisciplinaria que orienta los trabajos en SIG se hace más fácil pues existe una conexión entre la información temática elaborada a priori por distintos especialistas y el manejo de un área de estudio.
Figura 1.10.- Los principales componentes de un SIG ligado a su funcionalidad (Adaptado de Burrough, 1986)..
1.3.- Naturaleza de los datos espaciales
Según una definición de IGAC (1998), "Los datos geográficos son entidades espacio-temporales que cuantifican la distribución, el estado y los vínculos de los distintos fenómenos u objetos naturales o sociales”. Por lo tanto, los datos espaciales refieren a entidades o fenómenos que cumplen los siguientes principios básicos:
• Tienen posición absoluta: sobre un sistema de coordenadas (x,y,z)
• Tienen una posición relativa: frente a otros elementos del paisaje (topología: incluido, adyacente, cruzado, etc)
• Tienen una figura geométrica que las representan (punto, línea, polígono)
• Tienen atributos que lo describen (características del elemento o fenómeno)
Figura 1.11.- Puntos, Líneas y polígonos para la representación abstracta de entidades geográficas.
Por lo tanto, los datos espaciales pueden ser asociados a Modelos de Datos Espaciales Fundamentales o representaciones abstractas de la realidad, pero con la finalidad de ser interpretados fácilmente por los tomadores de decisiones.
Podemos entonces representar cualquier objeto geográfico por medio de
1. Puntos: Son objetos geométricos de dimensión cero, su localización espacial se representa por sus coordenadas (X,Y). Por ejemplo, localizaciones de postes de alumbrado, pozos de agua, pozos de petróleo, estaciones meteorológicas, etc.
2. Líneas: Son objetos geométricos de dimensión uno, su localización espacial se representa como una sucesión de puntos llamados vértices unidos por rectas, donde el primero y el último vértice se denominan nodos. Por ejemplo, la red de caminos y carreteras, la red hídrica, las vías férreas, carreteras, etc.
3. Polígonos: Son objetos geométricos de dimensión dos y se representan como una línea cerrada. Para representar regiones cerradas, como por ejemplo las Regiones y comunas de Chile, embalses, predios agrícolas, etc.
Figura 1.12.- Ejemplo de la representación de diferentes objetos geográficos, como red vial, red de drenaje, núcleos urbanos y límites en un SIG.
Figura 1.13,- Mapa de América desarrollado por el cartógrafo Jodocus Hondius hacia 1640.
El ser humano tiene la capacidad de conceptualizar el espacio geográfico y usa esa propiedad para interactuar con su entorno. Esta conceptualización del espacio es un proceso cognoscitivo y, de alguna manera, todas las personas lo desarrollan, evoluciona con el tiempo y la experiencia de vida. Por ello uno de los objetivos que el ser humano se ha planteado en su historia es el conocer muy bien el espacio geográfico que lo rodea y, de alguna manera, el conceptualizarlo gráficamente mediante un mapa para poder interactuar adecuadamente en la
propia sociedad como con su vecindad. Un mapa puede ser considerado como una representación abstracta de la realidad y construido con un objetivo concreto.
La disciplina encargada de la representación gráfica de las relaciones espaciales existentes entre objetos es la Cartografía. El fin último de la cartografía, según G.
Krish, es servir de instrumento una imagen de la realidad. Por lo tanto los mapas son considerados desde esta óptica como un documento histórico, un objeto de arte, un instrumento de investigación e información científica. Entenderemos, por lo tanto "El mapa es ya un tema de investigación. Por ello tiene una excepcional importancia científica desde su iniciación. En particular, actualmente pasan a ocupar el primer plano de las discusiones científicas, sus métodos de representación y sus propositos" (M. Eckert). Para E. Arnberger la cartografía es
"La teoría lógica, métodos y técnica de la construcción, confección e interpretación de las Cartas y otras formas de expresión cartográfica, que le son propias, para lograr una correcta presentación espacial de la realidad". Desde el punto de vista del mapa o la carta, podemos decir que "...es un medio de trabajo, documentación, depósito de saber y, ante todo, también una forma de comunicación".
En general, los mapas los podemos considerar como un modelo análogo y convencional de la realidad, que contiene recolección y selección de la información espacial, el cual es construido implementando técnicas y habilidades de representación propias de la disciplina, que ha integrado en conceptos profundos, información en conjunto con la destreza manual y técnicas de diseño gráfico que le dan su característica y síntesis propia.
(a)
(b) Figura 1.14.- Muestra gráfica del concepto de gran escala escala(a) y pequeña escala(b) en cartografía temática.
Los mapas reflejan ciertas características de la realidad, como la localidad, los atributos y las relaciones topológicas o de vecindad entre los distintos elementos geográficos presentes. Pueden ser catalogados en mapas de gran escala y de pequeña escala, como lo muestra la figura 1.14, concepto asociado a la discriminación y distinción de los diferentes elementos presentes en la cartografía.
La escala numérica tradicionalmente se representa en el mapa de forma numérica
y gráfica. Por ejemplo, numéricamente podemos hablar de una escala 1/100.000 o 1:100.000; esta cifra nos indica que 1 unidad en el mapa representa 100.000 de las mismas unidades en la superficie real. En la mayor parte de los mapas la escala numérica viene asociada a una escala gráfica lineal, que en general corresponde a un segmento característico, dividido en varios segmentos para que el usuario pueda medir las distancias con mayor precisión. La ecuación 1 muestra la forma de cálculo de la escala numérica de un mapa.
REALIDAD DISTANCIA
MAPA DISTANCIA
ESCALA
_
_ (1)
También pueden ser clasificados de acuerdo a su función, esto es en cartografía base o mapas temáticos. Los primeros son aquellos que contienen información general o de referencia, como limites, curvas de nivel, red hídrica, red de caminos y carreteras, etc. Los segundos son el resultado de un proceso de análisis para la obtención de un producto específico.
(a) (b)
Figura 1.15.- Ejemplos de cartografía base(a) y cartografía temática(b).
Un mapa contiene elementos cartográficos como: Escala Numérica, Escala Gráfica, Títulos y Leyendas e Información Gráfica. El mapa podría contener gran cantidad de información, sin embargo, esta debe ser de fácil lectura e interpretación. Esta debe reflejar en la leyenda un sistema de símbolos arbitrarios o convencionales y debe elaborarse siguiendo un uso adecuado de los colores. El cartógrafo podría hacer uso de una gran gama de símbolos, algunos ya aceptados internacionalmente y otros más locales, pero todos deben adecuarse a las diferentes necesidades.
Figura 1.16.- Ejemplos de escala gráfica asociada a la escala numérica, símbolos para mostrar la orientación y Leyendas al interior de un mapa.
1.4.- Elementos de Geodesia
La GEODESIA es una rama de las geociencias, pero además una rama de la ingeniería, y su nombre proviene del griego γη ("tierra") y δαιζω ("dividir") fue usado inicialmente por Aristóteles (384-322 ac). Esta disciplina trata del levantamiento y de la representación de la forma y de la superficie de la Tierra, global y parcial, con sus formas naturales y artificiales. La Geodesia también es usada en matemáticas para la medición y el cálculo sobre superficies curvas.
Como es sabido desde hace mucho tiempo, la Tierra no es redonda, sino que se aproxima más a una elipse de revolución o elipsoide. Entenderemos la forma de nuestro planeta como un geoide, es decir una forma muy particular que se encuentra entre una pelota de fútbol y una de rugby, pero vieja y desinflada. Como es terriblemente complicado tratar de encontrar coordenadas que sigan punto a punto la forma del geoide, la gran mayoría de los geofísicos ha optado por trabajar con una forma simple, el elipsoide, es decir una esfera achatada en los polos. El elipsoide es una manera de aproximación de la forma real de la Tierra, pero según el lugar considerado, esta aproximación podrá situarse sea por encima, sea por debajo de la verdadera superficie terrestre. Forma teórica de la Tierra
• Superficie terrestre ,donde la gravedad tiene el mismo valor
• Coincide con el nivel medio del mar
• Se toma como nivel cero
• A partir de ella se miden las altitudes
• En los continentes se calcula de manera indirecta
Figura 1.17.- La forma de nuestro planeta es conocida como geoide, es decir una forma muy particular que se encuentra entre una pelota de fútbol y una de rugby, pero vieja y desinflada.
Geoide
Como el Geoide es muy difícil de modelar numéricamente, se emplea el Elipsoide, el cual es una figura matemática lo más próxima al geoide. En el caso de la tierra se trata de una esfera achatada por los polos (radio ecuatorial = 6.378 km, radio polar = 6.356 km), la cual es obtenida teóricamente por la rotación de una elipse sobre el eje de rotación terrestre. Este modelo geométrico teórico es utilizado como superficie de referencia sobre la cual se referencian las coordenadas de cualquier punto en la Tierra.
De lo mostrado anteriormente surge una primera pregunta: ¿Si el geoide es de forma irregular, el centro de la Tierra donde está?. Muchos geofísicos de renombre han considerado como fundamental el encontrar un centro de la Tierra distinto a los de sus predecesores. Por lo anterior, cada uno puede definir, a partir de su centro de la Tierra, un elipsoide diferente, es decir una sección elíptica con un gran eje y un coeficiente de achatamiento mejor adaptados a la zona en la cual trabajan. Pese a lo anterior es posible definir un elipsoide único para toda la tierra y así contar con un sistema de referencia genérico para todo el planeta.
Figura 1.18.- Modelo teórico simplificado de la forma de nuestro planeta, conocida como elipsoide.
Red Geodésica
Una red es un conjunto de puntos relacionados físicamente a la corteza terrestre, para los cuales se describe una posición definida por coordenadas estimadas y sus variaciones.
Chile debido a su especial situación geográfica, producto de su posición y de su angosto y extenso territorio, debió adoptar a través del tiempo diversos sistemas de referencia geodésicos, los que en su conjunto definieron en los últimos cuarenta años la Red Geodésica Nacional (RGN) sobre la que se sustentó la estructura cartográfica del país. En Chile se adoptó un sistema único denominado la red Geodésica SIRGAS-Chile (SIRGAS: Sistema de Referencia Geocéntrico para las Américas).
La Red Geodésica Nacional es el Marco de Referencia de todas las actividades y representaciones geodésicas y cartográficas, la que está compuesta por puntos geodésicos creados, calculados y materializados por este Instituto, los que poseen valores de coordenadas geográficas y planas, y además en algunos de ellos alturas referidas al nivel medio del mar y valores de gravedad referidos a un sistema mundial.
La eficiente incorporación de sistemas satelitales en la implementación de extensas redes de control horizontal y la adopción del SIRGAS, establecieron las bases para estructurar una moderna Red Geodésica para Chile, considerando los estándares de precisión geodésicos internacionales vigentes. SIRGAS se creó en la búsqueda de una solución optima mediante el establecimiento de sistemas
únicos compatibles con la vanguardia tecnológica y que complementa adecuadamente la georreferenciación homogénea de datos espaciales en toda la región. SIRGAS cuenta con una precisión compatible con las técnicas actuales de posicionamiento, asociados a los Sistemas Globales de Navegación. Por otro lado, la adopción del ITRST (International Terrestrial Reference System) además de garantizar la homogeneidad de los resultados internos del continente, permite una integración consistente con las redes de otros continentes, contribuyendo cada vez más al desarrollo de una geodesia global.
La nueva Red Geodésica Nacional SIRGAS-CHILE está conformada por 3 redes:
Red de Estaciones Activa Fijas, que permiten calcular continuamente coordenadas para apoyar cualquier medición diferencial GPS y además monitorear el desplazamiento de las placas tectónicas determinando velocidades y desplazamientos.
Red Básica, compuesta por pilares que se utilizan para el cálculo de variaciones periódicas de sus coordenadas que con la remedición cada 4 años, separados éstos en bloques, permite determinar desplazamientos y velocidades.
Red de Densificación, conformada por una cantidad de puntos distribuidos homogéneamente a lo largo y ancho del país, de manera que los usuarios tengan acceso a ellos a una distancia mínima, en el lugar donde sean requeridos.
La adopción de este nuevo Sistema de Referencia se materializó en el acuerdo de objetivos de la reunión del IPGH celebrada en Asunción Paraguay, en el año 1993, donde se estableció la integración de las redes geodésicas de cada país, para obtener un Datum geocéntrico para América del Sur.
Figura 1.19.- Red Geodésica Nacional SIRGAS-CHILE.
Con la adopción de este nuevo Sistema de Referencia Geocéntrico, se reemplazarán los actuales Sistemas de Referencia Geodésicos donde el Datum
PSAD-56 es utilizado para la Cartografía Regular a escalas 1:50.000 de los 17º 30’ a los 43º 30’ de latitud, y el Datum SAD-69 es empleado desde los 43º 30’ a los 56º correspondientes a la zona austral.
Datum
Todos sabemos que la tierra no es esférica, tampoco un elipsoide, esto es un cuerpo irregular achatado por los polos. Esta irregularidad hace que cada país, o incluso cada región, escoja el modelo de base (definible matemáticamente) que más se ajuste a la forma de la tierra en su territorio. Este cuerpo suele ser un elipsoide específico. Los diferentes elipsoides se diferencian unos de otros en sus parámetros, entre los que se encuentran, como el radio mayor y menor del elipsoide (a y b) y la excentricidad del elipsoide (1/f = 1-(b/a) ).
En geodesia, se define el DATUM como un conjunto de puntos de referencia en la superficie terrestre en base a los cuales las medidas de la posición son tomadas y un modelo asociado de la forma de la tierra (elipsoide de referencia) para definir el sistema de coordenadas geográfico. Cada DATUM está compuesto por:
a) Un elipsoide característico.
b) Un punto llamado "Fundamental" en el que el elipsoide y la tierra son tangentes.
De este punto se han de especificar longitud, latitud y el acimut de una dirección desde él establecida.
En el punto Fundamental, las verticales del elipsoide y tierra coinciden. También coinciden las coordenadas astronómicas (las del elipsoide) y las geodésicas (las de la tierra). Definido el DATUM, ya se puede elaborar la cartografía de cada lugar, pues se tienen unos parámetros de referencia.
Sistema de Coordenadas
Un sistema de coordenadas puede ser entendido como es un marco de referencia fijo por cual podemos ubicarnos sobre la superficie terrestre y que además permite la ubicación de las entidades geográficas dentro de él con un nivel de precisión dado. En primera aproximación la tierra es una elipse de revolución o elipsoide, de esta forma las coordenadas nos permiten conocer las posiciones de los objetos en la superficie de la tierra basadas en este modelo simple, las cuales conocemos por coordenadas geográficas. Es conocido de todos nosotros que para ubicarnos en la superficie del planeta debemos conocer la latitud y la longitud del lugar, pero no exenta de problemas. Por ejemplo, sólo a lo largo del ecuador la distancia representada por un grado de longitud y latitud son equivalente, pues a medida que nos vamos hacia los polos esta cambia drásticamente. Esta dificultad en la ubicación sobre la superficie se reduce al transformar las coordenadas geográficas a coordenadas proyectadas de dos dimensiones. la definición especifica del par coordenado es:
Latitud: Las líneas de latitud (paralelos) son aquellas que rodean la circunferencia de la tierra en el plano horizontal. La línea de partida es el Ecuador (latitud 0º) que divide a la Tierra en los hemisferios: boreal y austral, y desde este punto se dibujan paralelos a este cada 15º siendo su numeración convencionalmente positiva hacia el polo Norte (latitud 90º) y negativa hacia el polo Sur (Latitud -90º).
La Latitud es el arco contado desde el ecuador al punto donde se encuentra el observador.
Longitud: Las líneas de longitud (meridianos) van de polo a polo y dividen la circunferencia de la Tierra (el Ecuador) en 24 horas - es decir están localizadas cada 15º de arco. La referencia en donde está la hora 0 pasa por una la línea grabada en una placa de bronce colocada en el piso debajo de un telescopio medidor de posición en el Antiguo Observatorio Real en Greenwich, Inglaterra, desde este punto los meridianos y las horas avanzan hacia el Este. Para medir el meridiano se mide el ángulo entre el meridiano 0 hasta donde está el observador (180º al este y 180º al oeste)
Para definir la dirección entre dos puntos sobre un elipsoide, es necesario conocer su azimuth y el rumbo(www.um.es/geograf/sigmur/sigpdf/temario_1.pdf):
Azimuth: Es el ángulo formado por la línea que une el punto de partida y el Norte y la línea que une el punto de partida con el de llegada. Se expresa en ángulos medidos en el sentido de las agujas del reloj desde la dirección Norte. Varía entre 0 y 360.
Rumbo: Es el ángulo agudo que forman las direcciones Norte o Sur desde el punto de partida y la línea que une ambos puntos. Varía entre 0 y 90, se precede por una letra, N o S, en función de cuál sea la dirección de referencia y se termina con otra que hace referencia a la dirección (E o W) a la que se dirige el ángulo.
Figura 1.20.- Sistema de coordenadas geográficas
Otro concepto básico en cartografía y geodesia es el de Norte, donde podemos identificar: Norte astronómico (definido por la estrella polar), Norte magnético, Norte geodésico, Norte de la malla. Los dos primeros son variables, en particular el segundo que varía del orden de 25 Km/año. Los dos segundos son artificiales, por ejemplo, el Norte geodésico depende del elipsoide utilizado y el segundo de la proyección que se utilice para pasar de coordenadas geográficas a coordenadas cartesianas.
Proyecciones
Los mapas son representaciones de la tierra proyectada a una superficie plana, las cuales se desarrollan sobre la base de formas geométricas (Conos, Cilindros y Planos), por lo que es necesario realizar un proceso de proyección de la superficie terrestre al plano. El proceso por el cual se transforman las coordenadas geográficas del esferoide en coordenadas planas para representar cartográficamente un segmento de la superficie del elipsoide en dos dimensiones se conoce como proyección. Los SIG permitieron que este proceso fuera optimizado y nos dan la posibilidad de la interacción entre distintas proyecciones y mapas existentes.
El gran problema existente hasta la fecha radica en que al realizar una proyección no existe modo alguno de representar en un plano toda la superficie del elipsoide sin deformarla. Debido a lo anterior, el objetivo fundamental en el proceso será
minimizar, en la medida de las posibilidades, estas deformaciones al momento de proyectar. Desde el punto de vista cartográfico, la escala utilizada y el segmento de la superficie terrestre a representar son fundamentales, fundamentalmente debido al efecto de la curvatura terrestre, el cual es proporcional al tamaño del área representada. Cuando estamos a pequeña escala, o grandes áreas, tenemos muy poco detalle, sin embargo, los efectos de la curvatura son considerables y los errores relevantes. Cuando se trata de cartografiar zonas pequeñas o de gran escala la distorsión es despreciable, hecho que nos beneficia a la hora de realizar la cartografía y lo recomendable es utilizar coordenadas planas, relativas a un origen de coordenadas arbitrario y medidas sobre el terreno. A este tipo de representaciones cartográficas se les llama planos y no mapas.
Figura 1.21.- Ejemplos de tipos de proyecciones cartográficas y sus distorsiones aproximadas.
En el caso de que la distorsión debida a la curvatura de la superficie terrestre sea relevante, es necesario buscar una ecuación que permita transformar las coordenadas geográficas en coordenadas planas, de forma tal que los diferentes elementos y objetos geográficos de la superficie terrestre puedan ser representados con mínima distorsión en una cartografía. Por regla general las nuevas unidades derivadas de esta transformación es generalmente el metro, permitiendo de esta forma la incorporación de la cartografía UTM en un SIG, donde los cálculos se tornan sencillos, por ejemplo calculo de distancias, áreas, volumen de cada uno de los elementos cartografiados.
WGS84
El WGS84 (World Geodetic System 84 o Sistema Geodésico Mundial 1984) es un sistema de coordenadas geográficas mundial que permite localizar cualquier punto de la Tierra. Este sistema constituye un estándar en geodesia, cartografía, y en navegación, cuyo origen es de 1984. A lo largo de su utilización ha tenido varias revisiones, la última en el año 2004. Estimaciones muestran un error de cálculo menor a 2 cm. por lo que es en la que se basa el Sistema de Posicionamiento Global (GPS). WGS84 consiste en un modelo matemático de tres dimensiones que representa la tierra por medio de un elipsoide particular. Los parámetros de este elipsoide son
Semieje Mayor a Semieje Menor b Achatamiento f G*M
Velocidad Angular
6,378,137.0 m 6,356,752.3142 m 1/298.257223563 3.986004418x1014 m3/s2 7.292115x10-5 rad/s
La importancia del WGS84 es que es un sistema de referencia en coordenadas geográficas que es único para todo el mundo. El origen se ubica en el centro de masa de la tierra o sistema geocéntrico(Ver figura 1.22).
Figura 1.22.- Sistema geodésico mundial de 1984 basado en un datum geocéntrico.
UTM
La proyección UTM es una de las más conocidas y utilizadas, y se define como un sistema cilindro transverso (la generatriz del cilindro no es paralela al eje de rotación sino perpendicular), conforme y tangente al elipsoide a lo largo del meridiano central del huso que se toma como meridiano de origen. Para evitar el efecto de las deformaciones la tierra se subdivide en 60 husos, con una anchura de 6 grados de longitud, y limitados entre los 84° de latitud norte y los 80° de latitud sur. Se define un huso como las posiciones geográficas que ocupan todos los puntos comprendidos entre dos meridianos. Esta proyección ha sido utilizada en todo el mundo por diferentes países, a pesar de que el país pueda quedar situado sobre más de un huso, es el caso de Chile con dos husos, el 18 y 19.
País Huso País Huso Perú
Bolivia Argentina
16,17,18,19 19,20,21 18,19.20,21,22
Chile Uruguay Brasil
18,19 21,22 18 a 25
Figura 1.23.- Proyección local UTM y su cilindro generador.
En la cartografía tradicional las coordenadas UTM suelen expresarse comúnmente en metros o kilómetros, sin embargo, en el caso de los SIG es preferible expresarlos en metros
Figura 1.24.- mapa global de zonas UTM.
Finalmente, y a modo de resumen, es muy importante tener en cuenta la proyección de nuestra cartografía. hay que ser muy ordenado y meticuloso registrando siempre las características de nuestros archivos de trabajo y actualizando, si corresponde, el metadato de cada proyecto. En el caso de nuestro país tener sumo cuidado con el datum y el huso utilizado, ya que una vez corroborado esto queda el problema de cómo representar adecuadamente, sobre este plano, la variedad de fenómenos que tienen lugar en el territorio de estudio.
La figura siguiente muestra la cartografía base oficial de Chile IGM a una escala 1:1000000.
Figura 1.25.- Cartografía IGM-Chile escala 1:1000000.
CAPITULO 2
SISTEMAS VECTORIAL Y RASTER
Como lo habíamos discutido anteriormente, los elementos geográficos en un territorio pueden ser representados mediante formas geométricas simples, esto es puntos, líneas y polígonos. Adicionalmente podemos agregar un modelo de representación abstracta del espacio, esto es, vectores o matrices (raster). En base a la postura anterior, podemos definir a los SIG por la forma de representar el espacio en dos modelos o formatos, el modelo vectorial y el raster.
Figura 2.1.- Representación de las entidades geográficas del territorio (Mundo real) mediante modelos numéricos y con entidades geométricas (Modelo Raster y Vector).
La elección de uno u otro modelo de representación de nuestros objetivos y el tipo de análisis a aplicar. En general la estructura de datos vectorial es la opción más usada para hacer cartografía temática, sin embargo, su estructura de datos es mucho más compleja y este hecho hace que cualquier análisis ocupe mucho tiempo en el PC proceso. Por otra parte, si se desea realizar un análisis sobre datos espaciales contínuos. la mejor opción es el formato raster, que es mucho más rápido en cualquier proceso numérico por su estructura sencilla. Ambos formatos tienen fortalezas y debilidades, de las cuales se muestra un resumen en la tabla siguiente.
Objetivo Modelo Vectorial Modelo Raster Almacenamiento espacial Coordenadas x,y para puntos,
líneas y polígonos
Celdas de igual tamaño ordenadas en filas y columnas (Matrices)
Representación espacial del objeto (Feature representation)
Puntos Líneas
Polígonos (áreas)
Puntos - celda
Líneas - conjunto de celdas adyacentes con estructura lineal.
Polígonos - conjunto de celdas adyacentes con estructura superficial.
Cartografía Precisión, posición.
No para fenómenos continuos.
Imágenes, fenómenos
continuos.
El Formato Raster
El formato raster se fundamenta en la división del área de estudio en una matriz de celdillas, generalmente cuadradas. Cada una de estas celdillas recibe un único valor que se considera representativo para toda la superficie abarcada por la misma, tradicionalmente llamada pixel (picture element). Este formato, por tanto, cubre la totalidad del espacio, este hecho supone una ventaja fundamental ya que pueden obtenerse valores de forma inmediata para cualquier punto de este.
La matriz numérica, puede contener tres tipos de datos:
• Valores numéricos en caso de que la variable representada sea cuantitativa.
• Identificadores numéricos en caso de que se trate de una variable cualitativa. Estos identificadores se corresponden con etiquetas de texto que describen los diferentes valores de la variable cualitativa, los cuales pueden encontrase anexos en una base de datos.
• Identificadores numéricos únicos para cada una de las entidades representadas en caso de que la capa raster contenga entidades (puntos, líneas o polígonos)
(a)
(b)
Figura 2.2.- Ejemplo de la estructura raster para representar datos continuos(a) y discretos(b) mediante la asignación de tablas de color.
La información geométrica de la estructura matricial del archivo viene anexa a los datos, ya sea en un archivo separado o integrado a los datos espaciales.
Normalmente se debe contar con información de su posición en el espacio y geometría de la matriz, esto es:
• Número de filas (nf)
• Número de columnas (nc)
• Coordenadas de las esquinas de la matriz o capa raster (e, w, s, n)
• Resolución o tamaño de pixel en latitud y en longitud (ry, rx)
Normalmente el número de filas y columnas son constantes y el número total de elementos de matriz o pixeles (celdas) es la multiplicación entre ambos valores. Es bueno mencionar que las imágenes de satélite se ven afectadas por la curvatura de la Tierra, efecto que hay que corregir y que veremos en otro capítulo.
Figura 2.4.- La estructura matricial o raster presenta ventajas comparativas al momento de representar o modelar variables ambientales continuas.
Adicionalmente, y para que se pueda desplegar una capa raster en la pantalla del computador es necesaria una tabla de colores (Paleta de colores), que relaciona los valores de pixel y el color a representar o que se pintará cada celdilla en la pantalla (Ver figura adjunta). En caso de que la variable sea cualitativa, la tabla de asignación de color que haga corresponder a cada identificador numérico una etiqueta de texto descriptiva. A modo de ejemplo, la figura 2.2 muestra la estructura raster para representar datos continuos(a) y discretos(b) mediante la asignación de tablas de color.
Fortalezas y debilidades del modelo raster
Fortalezas
1.Es una estructura de datos simple.
2.Las operaciones de superposición de mapas se implementan de forma más rápida y eficiente.
3.Cuando la variación espacial de los datos es muy alta el formato raster es una forma más eficiente de representación.
4.El formato raster es requerido para un eficiente tratamiento y realce de las imágenes digitales.
Debilidades
1. La estructura de datos raster es menos compacta. Las técnicas de compresión de datos pueden superar frecuentemente este problema.
2. Ciertas relaciones topológicas son más difíciles de representar.
3. La salida de gráficos resulta menos estética, ya que los límites entre zonas tienden a presentar la apariencia de bloques en comparación con las líneas suavizadas de los mapas dibujados a mano. Esto puede solucionarse utilizando un número muy elevado de celdas más pequeñas, pero entonces pueden resultar ficheros inaceptablemente grandes.
El Formato Vectorial
Al contrario de lo que ocurre con el formato raster, el formato vectorial define objetos geométricos (puntos, líneas y polígonos) mediante la codificación explícita de sus coordenadas. Los puntos se codifican en formato vectorial por un par de coordenadas en el espacio, las líneas como una sucesión de puntos conectados y los polígonos como líneas cerradas (formato orientado a objetos) o como un conjunto de líneas que constituyen las diferentes fronteras del polígono (formato Arco/nodo).
(a)
(b)
(c)
Figura 2.5.- Ejemplo de la representación vectorial para puntos (a), líneas(b) y polígonos(c).
Este formato resulta especialmente adecuado para la representación de entidades reales ubicadas en el espacio (carreteras, ríos, parcelas de cultivo). También resulta más adecuado que el raster cuando se manejan datos que suponen un valor promediado sobre una extensión de territorio que se considera homogénea, los límites de la misma pueden ser arbitrarios o no (por ejemplo estadísticas municipales, profundidad de acuíferos, etc.).
El modelo vectorial Conceptualiza el espacio como una colección de objetos discretos, los cuales pueden ser representados espacialmente por entidades cartográficas (puntos, líneas o polígonos) y descritos por un conjunto de propiedades (atributos). En el formato vectorial, además de codificar la posición de las entidades, necesitamos establecer las relaciones topológicas entre las mismas, especialmente en lo que se refiere a los mapas de polígonos.
El término topología hace referencia, en el contexto de los SIG vectoriales, a relaciones entre los diferentes objetos para originar entidades de orden superior.
• Los nodos de dos líneas en contacto deben tener las mismas coordenadas.
• Un polígono se define, en el modelo arco-nodo, como un circuito perfecto de líneas que puede recorrerse entero empezando y terminando en el mismo punto sin pasar dos veces por la misma línea.
• Existe un sólo identificador para cada entidad y este es único, no se repite en ninguna otra entidad.
• Se dispone de algún modo de codificar los polígonos isla. Se trata de los polígonos completamente rodeados por otro polígono debiéndose informar al polígono contenedor de la existencia del polígono isla para tenerlo en cuenta al calcular su área.
Una base de datos cartográfica digital habitualmente está conformada por varios mapas temáticos de una misma área geográfica. Dependiendo de su naturaleza y de la escala de trabajo, los objetos geográficos podrán ser representados por puntos líneas o polígonos en la cartografía. Cada tipo de entidad se representa en una mapa distinto o capa específica (Layer). Ejemplo de una representación de puntos, líneas y polígonos es mostrada en la figura 2.5.
Figura 2.6.- Ejemplo de modelación vectorial para el caso de un tranque en una localidad específica.
La figura anterior muestra un ejemplo de aplicación del modelo vectorial para representar cartográficamente un objeto geográfico. En la parte superior derecha se observa una imagen satelital de un área cualquiera, resaltando una zona dedicada a almacenar agua por medio de un tranque. Los elementos geográficos
relevantes que ahí aparecen son digitalizados, como son el caso de los límites del tranque y un camino que pasa por su entorno. En el caso del tranque este es representado por un polígono, el camino representado por una línea y la ubicación de la compuerta para liberar el agua por un punto. Adicionalmente podrían haber otras estructuras que también, previo a un análisis, deben ser representadas por puntos, líneas y polígonos.
En un SIG las capas temáticas son representaciones lógicas y en entidades separadas. Cada entidad corresponde a una capa de información, con sus formas y ubicaciones geográficas, además de información descriptiva sobre cada entidad o atributos los cuales se encuentran asociados por medio de una base de datos. La figura adjunta muestra un ejemplo de este concepto.
La organización de la información espacial en capas geográficas se ha masificado y ahora es el método más empleado en los SIG para el manejo lógico de la información, de tal forma que este arreglo constituye la base de cómo los SIG representan, utilizan, administran y aplican la información geográfica.
Asociada a la componente gráfica o espacial, se encuentra una componente no espacial. Se trata de tablas o bases de datos que representan los distintos atributos asociados al elemento geográfico representado en la cartografía, esto es cada entidad presente en el mapa tiene asociado un registro en una tabla (Figura 28). La tabla asociada puede tener datos de distinta naturaleza, como números, textos o fechas, entre algunos, como se muestra en la tabla siguiente.
Numérico 245 3.16879 12.34E(+5) Caracteres (String) "nombres" "45" "#$%&?¿"
Boleano "Falso" "Verdadero"
Fecha 12/07/2010 07-12-2010
Los valores numéricos en una base de datos pueden ser
Byte : para enteros comprendidos entre 0 y 255. El requisito de almacenamiento es 1 byte.
Entero : para enteros comprendidos entre -32.768 y 32.767. El requisito de almacenamiento es 2 bytes.
Entero largo : para enteros comprendidos entre -2.147.483.648 y 2.147.483.647.
El requisito de almacenamiento es 4 bytes.
Simple : para valores numéricos de punto flotante comprendidos entre -3,4 x 1038 y 3,4 x 1038 de hasta siete dígitos significativos. El requisito de almacenamiento es 4 bytes.
Doble : para valores numéricos de punto flotante comprendidos entre -1,797 x 10308 y 1,797 x 10308 de hasta quince dígitos significativos. El requisito de almacenamiento es 8 bytes.
Id. de réplica : Para almacenar un identificador único global necesario para la réplica. El requisito de almacenamiento es 16 bytes. Observe que la réplica no se admite con el formato de archivo .accdb.
Decimal : para valores numéricos comprendidos entre -9,999... x 1027 u 9,999...
x 1027. El requisito de almacenamiento es 12 bytes.
Figura 28.- Asociada a los elementos gráficos presentes en la cartografía se encuentra una base de datos que contiene los atributos de cada elemento.
Figura 2.9.- La estructura vectorial presenta ventajas comparativas al momento de representar o modelar variables ambientales discretas.
La base de datos asociada al archivo vectorial se encuentra regida por los modelos de bases de datos relacional. Además, se cuenta con un sistema de enlace de información contenida en tablas separadas que permite facilitar la búsqueda en bases de datos complejas o muy extensas.
Fortalezas y debilidades del modelo vectorial Fortalezas
1. Genera una estructura de datos más compacta que el modelo raster.
2. Genera una codificación eficiente de la topología y, consecuentemente, una implementación más eficiente de las operaciones que requieren información topológica, como el análisis de redes.
3. El modelo vectorial es más adecuado para generar salidas gráficas que se aproximan mucho a los mapas dibujados a mano.
Debilidades
1. Es una estructura de datos más compleja que el modelo raster.
2. Las operaciones de superposición de mapas son más difíciles de implementar.
3. Resulta poco eficiente cuando la variación espacial de los datos es muy alta.
4. El tratamiento y realce de las imágenes digitales no puede ser realizado de manera eficiente en el formato vectorial.
Sistema de Gestión de Base de Datos (SGBD)
Un SGBD permite el almacenamiento, manipulación y consulta de datos pertenecientes a una base de datos organizada en uno o varios ficheros. En el modelo más extendido (base de datos relacional) la base de datos consiste, de cara al usuario, en un conjunto de tablas entre las que se establecen relaciones. A pesar de sus semejanzas (ambos manejan conjuntos de tablas) existen una serie de diferencias fundamentales entre un SGBD y un programa de hoja de cálculo.
El método de almacenamiento y el programa que gestiona los datos (servidor) son independientes del programa desde el que se lanzan las consultas (cliente). En lugar de primarse la visualización de toda la información, el objetivo fundamental es permitir consultas complejas, cuya resolución está optimizada, expresadas mediante un lenguaje formal. El almacenamiento de los datos se hace de forma eficiente, aunque oculta para el usuario y normalmente tiene, al contrario de lo que ocurre con las hojas de cálculo, poco que ver con la estructura con la que los datos se presentan al usuario.
El acceso concurrente de múltiples usuarios autorizados a los datos, realizando operaciones de actualización y consulta de estos garantizando la ausencia de problemas de seguridad (debidos a accesos no autorizados) o integridad (pérdida de datos por el intento de varios usuarios de acceder al mismo fichero al mismo tiempo. La figura anexa muestra un esquema sobre el método cliente-servidor en una base de datos
Bases de datos relacionales
Es el modelo más utilizado hoy en día. Una base de datos relacional es básicamente un conjunto de tablas, similares a las tablas de una hoja de cálculo, formadas por filas (registros) y columnas (campos). Los registros representan cada uno de los objetos descritos en la tabla y los campos los atributos (variables de cualquier tipo) de los objetos. En el modelo relacional de base de datos, las tablas comparten algún campo entre ellas. Estos campos compartidos van a servir para establecer relaciones entre las tablas que permitan consultas complejas.
En la figura 2.11 se muestra un archivo de polígonos el cual se encuentra relacionado con tres tablas, que tienen información de un municipio ficticio. Este tipo de configuración en las bases de datos permite una mejora en la obtención de datos. Por ejemplo, esta figura muestra una hipotética organización de los datos de su comuna, donde se relacionan todas las actividades del municipio, tanto administrativas como financieras. En el recuadro inferior se muestra una consulta realizada por un funcionario de esta Municipalidad, donde consulta sobre empleados puntuales, por ejemplo, por su RUT(DNI) el cual se encuentra asociado a otros datos como puesto, antigüedad, sueldo, etc.
Figura 2.11.- Ejemplo de la asociación elementos gráficos y una base de datos relacional.
Bases de datos objeto-relacionales
La idea es mantener el esquema de tablas entre las que se establecen relaciones pero permitiendo como atributos tipos más complejos, denominados tipos abstractos de datos (ADT) que admiten objetos geométricos. Deben poder definirse nuevos tipos de datos que permitan almacenar la geometría (puntos, líneas, polígonos, etc.).
Las funciones y operadores ya existentes se adaptan a estos datos espaciales y se opera con un lenguaje apropiado. El lenguaje SQL se extiende para manipular datos espaciales, incluyendo funciones como distancia, cruce de líneas, punto en polígono, etc., que se vieron el tema dedicado al formato vectorial. En el nivel físico, es decir en el modelo y archivo digital, se realizan cambios profundos.
