ANALISIS DE GEOINFORMACION - Universidad Nacional de … ANALISIS DE... · Gauss Colombia Universidad Nacional de Colombia ANALISIS DE ... Los SIG fundamentan su versatilidad y funcionalidad

Sistemas de Información Geográfica Prof. Luis Hernán Ochoa G

Gauss Colombia Universidad Nacional de Colombia

ANALISIS DE GEOINFORMACION

1 INTRODUCCION – DEFINICIONES

1.1 QUE ES UN SIG Base datos computarizada con información espacial

Tecnología informática para gestionar y analizar información espacial

Conjunto de herramientas para reunir, introducir, almacenar, recuperar, transformar y Cartografiar datos espaciales sobre el mundo real para cumplir con objetivos específicos

Tipo especializado de bases de datos que se caracteriza por su capacidad de almacenar datos geográficos, es decir, espaciales georeferenciados que se puedan representar como imágenes

Sistema de Hardware y Software y procedimientos elaborados para facilitar la obtención, gestión, manipulación, análisis, modelamiento, representación y salidas de datos espacialmente referenciados para resolver problemas complejos de planificación y gestión.

En general: Un SIG es un sistema Digital que sirve para CAPTURAR – ALMACENAR – ADMINISTRAR – ANALIZAR – PUBLICAR datos georeferenciados que tienen dos componentes ESPACIAL y NO ESPACIAL.

Los SIG fundamentan su versatilidad y funcionalidad en el empleo de niveles de información o coberturas temáticas que son grupos de mapas de la misma región conteniendo información diversa que permite una adecuada administración de la misma (ver Figura No 1).

Figura No 1 : Coberturas temáticas

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1.2 APLICACIONES Las aplicaciones de los SIG son variadas. Existen entre otras las siguientes:

1.2.1 Cartografía automatizada:

Los organismos estatales encargados del mantenimiento de la cartografía de un país han desarrollado sus propios mapas en formato digital como servicios para los usuarios. Estos mapas son ofrecidos a múltiples tipos de usuarios tanto estatales como privados. La actualización de la información estará a cargo de las empresas estatales responsables. En Colombia este servicio es prestado por el IGAC (instituto Geográfico Agustín Codazzi)

1.2.2 Gestión de infraestructuras:

Son utilizadas por empresas de servicios públicos para el desarrollo, mantenimiento y gestión de redes de electricidad, gas, agua, teléfonos, alcantarillado, etc., La información que se maneja es de tipo grafico y alfanumérico, con asociaciones de bases de datos a distintos niveles de información para el desarrollo de los mismos. Son utilizados en consulta. también son utilizados en trabajos de ingeniería, labores de inventario, planificación de redes, gestión de mantenimiento, etc.

1.2.3 Gestión territorial:

Son aplicaciones dirigidas a la gestión de as entidades gubernamentales locales, basadas en la utilización de formatos mixtos Raster-vectorial.

Permiten el rápido acceso a la información gráfica y alfanumérica, y proporcionan funciones para el análisis espacial de la información, incluyendo información procedente de varias capas superpuestas. Permiten labores de mantenimiento de infraestructuras, amoblamiento urbano, etc., y permiten realizar una optimización en la realización de trabajos de mantenimiento de empresas de servicios. Ofrecen también la posibilidad de generar, de forma automática, documentos con información gráfica y alfanumérica tales como cédula urbanística, cédula catastral, etc.

1.2.4 Gestión medioambiental:

Son aplicaciones dirigidas a instituciones de medioambiente y empresas de ingeniería, que facilitan la evaluación del impacto medioambiental en la ejecución de proyectos. Integrados con sistemas de adquisición de datos permiten el análisis en tiempo real de la concentración de productos contaminantes, para acelerar la ejecución de medidas correctoras. Proporcionan asimismo una ayuda fundamental en trabajos tales como repoblaciones forestales, planificación de explotaciones agrícolas, etc.

1.2.5 Gestión de equipamientos sociales:

Dirigidas a la gestión de servicios tales como servicios sanitarios, centros escolares, etc., proporcionan información sobre los centros ya existentes en una determinada zona y ayudan en la planificación de ubicaciones para nuevos centros. Estos sistemas aumentan la productividad al optimizar recursos, ya que permiten asignar de forma adecuada los centros a los usuarios. Utilizados en servicios sanitarios, permiten realizar estudios epidemiológicos relacionando incidencia de enfermedades con el entorno vital.

1.2.6 Gestión de recursos geológico-mineros:

Facilitan el manejo de un gran volumen de información generado tras varios años de explotación intensiva, proporcionando funciones para la realización de análisis de elementos puntuales (sondeos o puntos topográficos), lineales (perfiles, tendido de electricidad), superficies (áreas de

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explotación) y volúmenes (capas geológicas). Proporcionan además herramientas de modelamiento de las capas o formaciones geológicas.

1.2.7 Gestión del tráfico:

Se utiliza para modelar el comportamiento del tráfico estableciendo modelos de circulación por una vía en función de las condiciones de tráfico y longitud. Asignando un coste a los nodos (o puntos) en los que existe un semáforo, se puede obtener información muy útil:

Deducir el camino más corto en distancia o en tiempo entre dos puntos. Si la información se actualiza con suficiente rapidez, puede ser una herramienta muy eficaz a la hora de recomendar itinerarios.

Simular el efecto que puede tener un cambio en las condiciones normales (cortes por obra, manifestaciones, etc.).

1.2.8 Demografía:

Se incluyen aquí un conjunto heterogéneo de aplicaciones cuyo nexo es la utilización de las características demográficas, y en concreto su distribución espacial, para la toma de decisiones. El repertorio de aplicaciones abarca el marketing, la selección de emplazamientos para la implantación de negocios o servicios públicos, la zonificación electoral, etc.

El origen de los datos suele ser los registros estadísticos confeccionados por algún organismo (el INE o el equivalente a nivel autonómico), aunque en algunos países existe una floreciente área de negocio en el suministro de información elaborada a partir de aquella. Este grupo de aplicaciones no precisan una elevada precisión, y en general, manejan escalas pequeñas.

Tradicionalmente, los usuarios finales de los SIG siempre han sido los gestores de servicios públicos, y aunque pueda parecer que sólo ellos se benefician de estos sistemas, nada más lejos de la realidad. Es en el ámbito privado donde deberían tener más incidencia, aunque aún no es así debido en algunos casos por el coste y en otros por la falta de información.

1.3 AREAS DE EMPLEO Los SIG pueden y deben ser empleados en :

1.3.1 Marketing:

La base de datos unida a la información geográfica resulta indispensable para planificar una adecuada campaña de marketing o el envío de correo promocional.

Adicionalmente, se podrían diseñar rutas óptimas a seguir por comerciales, etc.

1.3.2 Banca:

Los bancos y cajas son unos buenos usuarios de SIG, ya que necesitan ubicar a sus clientes y planificar tanto sus campañas como la apertura de nuevas oficinas, incluyendo información sobre las sucursales de la competencia.

1.3.3 Análisis de Redes:

Este es uno de los puntos fuertes de un SIG. Todo lo que se puede representar como una red se puede analizar mediante herramientas SIG.

La aplicación más conocida puede ser la obtención de rutas óptimas para el reparto de mercancías, transporte regular de pasajeros y seguimiento de flotas de vehículos ( con dispositivos GPS ).

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1.4 TIPOS DE MAPAS

1.4.1 Mapas de Localización

Son los mapas de ubicación en los cuales se incluye información relacionada con poblaciones, vías, ríos etc. Son elaborados generalmente mediante topografía convencional, satelital, fotogrametría, fotointerpretación, sensores remotos etc.

1.4.2 Mapas de Cantidades

Son los mapas donde se incluye la información acerca de cantidades tales como mapas de población, en los cuales se pueden emplear criterios de visualización con base en el numero de habitantes. Permiten analizar relaciones entre poblaciones. En estos mapas se tiene un nivel de caracterización superior a los mapas simples de localización.

1.4.3 Mapas de densidad

Son aquellos donde se pueden visualizar concentraciones de diferentes características mediante la distribución areal de estas. Permite un mejor entendimiento de la información.

1.4.4 Medición de distancias

Es posible establecer mediante los SIG las distancias, pendientes, áreas etc. Que permitan obtener datos de apoyo para la toma de decisiones

1.4.5 Monitoreo de cambios

Es posible monitorear cambios de algunos parámetros y establecer relaciones que permitan la anticipación de fenómenos o desarrollar modelos predictivos a partir del manejo de información espacio – temporal

1.5 INFORMACION GEOREFERENCIADA La información Georeferenciada tiene en general dos componentes : Espacial y No espacial o temática.

Conceptualmente, Puede ser separada en dos elementos. Observación o Entidad y Atributo o Variable. Los SIG deben tener la capacidad de manejar estos dos tipo de información.

1.5.1 Componente Espacial

Las observaciones deben estar ubicadas o localizadas mediante algún sistema. Dicha localización puede ser absoluta o relativa. La localización absoluta se refiere a un sistema de coordenadas adecuado y conocido. La localización relativa tiene que ver con relaciones topológicas o referencias con otras observaciones. La Universidad Nacional está ubicada en unas coordenadas X,Y del sistema de coordenadas de Colombia o se puede decir que se encuentra en Bogotá entre las calles 26 y 53 y las carreras 30 y 50. Un sistema de información geográfica debe estar en capacidad de manejar estas dos localizaciones.

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1.5.2 Componente No Espacial o Temática

Esta relacionada con las variables o atributos de las entidades observadas. Esta información se maneja a partir de tablas que se relacionan con las entidades observadas mediante identificadores. Estos atributos pueden ser Población, Trafico (de una vía), Caudal (De un rió) Etc.

1.5.3 Datos de SIG

Los datos que se emplean en los SIG proviene de diferentes fuentes y es de diversos tipos. Un SIG debe estar en capacidad de manejar uno o varios de los siguientes:

• Mapas Escaneados o Digitalizados

• Bases de Datos

• Muestreo GPS o Convencional de atributos en campo

• Sensores remotos y Fotografías aéreas.

2 REPRESENTACION DE INFORMACIÓN GEOREFERENCIADA La información Georeferenciada de los SIG esta representada de manera digital. Si se compara con la representación análoga (Tradicional en papel) se encuentran grandes ventajas de los SIG.

DIGITAL ANALOGA

Fácil Actualización El mapa completo debe ser dibujado nuevamente

Fácil y rápido envío y distribución (Ej. vía Internet )

Lenta distribución (Ej. Correo, viaje a los sitios de distribución)

El espacio de almacenamiento es relativamente pequeño (Digital).

Grande espacio de almacenamiento (Bibliotecas, mapotecas Etc.)

Fácil mantenimiento Degradación de los medios impresos

Fácil análisis automatizado de la información Dificultad de análisis e imprecisiones (Ej. Medición de distancias, áreas Etc)

2.1 FORMATOS RASTER Y VECTOR

2.1.1 Generalidades

La información digital en los SIG se puede representar de dos maneras Raster y Vector. La información Raster se compone de unidades de información llamadas celdas o píxeles. La información vector se compone de Puntos, Arcos o Líneas y Polígonos. Estas son representaciones de la realidad tal como se ilustra en la Figura No 2 .

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Figura No 2 : Formatos Raster y Vector

La información que viene en formato Raster proviene generalmente de Sensores Remotos o escaneo de medios análogos tales como fotografías aéreas o de grillas (matrices numéricas). La información en formato vectorial proviene de Levantamientos topográficos con métodos convencionales o GPS, Digitalización de mapas, restitución de fotografías aéreas etc. Los dos tipos de formato pueden ser representados y manejados por el SIG (Ver Figura No 3).

Figura No 3 : Integración de información Raster y Vector

2.1.2 Ventajas y Desventajas

Como es de suponer el manejo de los dos tipo de formato conlleva a tener ventajas y desventajas de cada uno de ellos que determinan finalmente su aplicabilidad. El conocimiento de estas permite definir las estrategias de obtención y manejo de información de acuerdo con las necesidades del problema que se quiera resolver.

RASTER VECTOR

Requiere de un mayor espacio de Memoria Estructura Compacta

Perdida de información en celdas grandes (Resolución)

La resolución depende de la precisión del método de adquisición mas que de la escala de visualización

Mapas menos precisos y baja definición Mejor precisión en medición de distancias, áreas etc.

Dificultad para la realización de análisis de redes Análisis eficiente de redes

Baja precisión en transformación de Eficiente transformación de coordenadas

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coordenadas

Estructura Simple Estructura Compleja

Superposición sencilla Dificultad en operaciones de superposición

Representa bien la alta variabilidad espacial La alta variabilidad espacial esta pobremente representada

Compatibilidad con sensores remotos No compatible con imágenes de satélite

Programación sencilla La programación resulta compleja

El mismo tamaño de celda para varios atributos Variabilidad de tamaños y formas de los atributos

2.2 FORMATO VECTOR

2.2.1 definición

El formato Vector corresponde a una estructura de datos utilizada para el manejo de datos georeferenciados. Los datos Vector se componen de Líneas o arcos definidos por los puntos de inicio y final, que se encuentran en los nodos. El arco es una definición especial de línea que constituye una de las mas importantes características que permiten el desarrollo de muchos procesos d análisis a partir de ese concepto. Un arco es un conjunto de líneas que inicia y termina en un NODO. El NODO por definición es un punto a donde convergen dos o mas arcos. El almacenamiento de la estructura topológica y los nodos se hace de manera explicita. Las características geográficas son definidas por sus contornos y las líneas de esos limites son definidas por series de arcos conectados. La topología se indica en un punto dentro del área e identifica a todo el contorno.

Los formatos vectoriales se componen de dos bases de datos. Una para la información espacial y otra para la información temática. Se conoce con el nombre de Sistema Híbrido de organización y es el encargado de enlazar la información espacial con la temática mediante una llave de enlace conocida como IDENTIFICADOR para cada objeto. Este identificador es único y diferente para cada objeto y es el que permite la relación entre las dos bases de datos.

En la Figura No 4, podemos observar la representación Vectorial de los Datos Georeferenciados, que se presentan en forma de coordenadas. Las unidades básicas de información son Puntos, Líneas o arcos y polígonos y cada una de las unidades es representada mediante series de una o mas coordenadas. Ej. Una línea es una serie de puntos y un polígono es una serie de líneas.

Figura No 4 : Representación Vectorial de la información Georeferenciada

Las COORDENADAS son pares de números que representan distancias horizontales a lo largo de ejes ortogonales o tripletas de números midiendo distancias horizontales y verticales o en general n-números que miden distancias a lo largo de n-ejes ortogonales expresando la localización

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precisa en un espacio n-dimensional. Las coordenadas representan generalmente las localizaciones en la superficie terrestre relativas a otras localizaciones.

2.2.2 Dimensiones Topológicas

Un PUNTO ( 0D ) es la abstracción de cero dimensiones de un objeto representado por una coordenada X,Y(,Z...). Normalmente representa una característica geográfica demasiado pequeña para ser representada como línea o área. Por ejemplo, la localización de una construcción en un mapa de pequeña escala.

Una LINEA ( 1D ) es un conjunto ordenado de coordenadas X,Y(,Z,....) que representa la forma de una característica geográfica demasiado angosta como para ser representada por un área a una escala dada como Contornos, ejes de vías o ríos. También representa características lineales que no forman un área tales como Limites departamentales, linderos etc. La línea es sinónimo de ARCO.

Un POLÍGONO ( 2D ) es utilizado para representar áreas. Un polígono es definido por las líneas o arcos que componen su limite y un punto en su interior para la identificación del área. Los polígonos tienen atributos que describen la característica que representan.

Un VOLUMEN ( 3D ) es utilizado para representar objetor tridimensionales. Un Volumen esta definido por los polígonos que conforman sus limites externos.

2.2.3 Modelos Vectoriales

Existen diferentes maneras de almacenar y manejar información vectorial. Cada uno de ellos tiene características diferentes que implican ventajas y desventajas para su utilización. Cada uno de ellos tiene aplicación de acuerdo con sus propias características. Los mas conocidos son:

• Lista de coordenadas (Espagueti)

• Diccionario de vértices

• Codificación de Mapas Dual Independiente (DIME)

• Estructura de Arco / nodo

A continuación se hace una breve descripción de cada uno de ellos resaltando sus características propias.

2.2.3.1 Lista de Coordenadas (Espagueti)

Es una representación de la información mediante una lista exhaustiva de las coordenadas de los puntos que componen los polígonos.

Figura No 5 : Estructura Espagueti

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Como se observa en la Figura No 5, cada polígono es representado por un encabezado que contiene el identificador y el numero de vértices del polígono seguido del listado de coordenadas de cada uno de los puntos que lo conforman. Del análisis de esta estructura se desprende que:

• Es una estructura simple y sencilla

• Fácil de manejar

• No contiene topología

• Duplicidad de la información por lo que requiere mayor espacio de almacenamiento

• Usada comúnmente en CAC (Computer Assisted Cartography).

• Similar a estructuras de DXF de Autocad

• No requiere estructuras de bases de datos complejas. Se puede manejar en ASCII

2.2.3.2 Diccionario de Vértices

Mediante esta estructura se inició el manejo de tablas relacionadas. Se separan los vértices en un archivo y en otro se indican los objetos y sus respectivos vértices que los constituyen.

Figura No 6 : Diccionario de Vértices

Tal como se observa en la Figura No 6, ya no existe duplicidad de coordenadas del los vértices. Sin embargo aun no existe topología.

2.2.3.3 Estructura DIME

Esta estructura debe su sigla a las iniciales del nombre en Ingles Dual Independent Map Encoding, desarrollado por la oficina de censo de los Estados Unidos.

Figura No 7 : Estructura DIME

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Como se puede observar en la Figura No 7, este formato define los Nodos como intersecciones delineas y se identifican por códigos, Asigna un código direccional de la forma “From Node” y “To Node”.

2.2.3.4 Estructura de Arco Nodo

Esta estructura presenta un modelo mas complejo, requiriendo varias tablas para la definición delos objetos. Sin embargo es la mas completa y la de mayores ventajas a la hora de realizar operaciones.

Figura No 8 : Estructura de Arco-Nodo

Realiza la división de los objetos mediante la utilización de Arcos y Nodos. Los Arcos corresponden a los segmentos de líneas que van de Nodo a Nodo y los Nodos son las intersecciones de 3 o mas arcos.

Las tablas que definen esta estructura son:

• Coordenadas de Nodos y Vértices (Figura No 9)

Figura No 9 : Coordenadas de Nodos y vértices

• Topología de Arcos (Figura No 10)

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Figura No 10 : Topología de Arcos

• Topología de polígonos (Figura No 11)

Figura No 11 : Topología de Polígonos

• Topología de Nodos (Figura No 12)

Figura No 12 : Topología de Nodos

2.2.4 Manejador de Bases de Datos

Como se desprende del empleo de las estructuras de almacenamiento de información de los formatos de tipo vectorial, se requiere del empleo de un manejador eficiente de bases de datos conocido como DBMS (Data Base Management System), que es el encargado de manejar los datos topológicos contenidos en el SIG. En algunos paquetes de SIG, El Manejador de Bases de Datos esta basado en un paquete existente.

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2.2.5 Adquisición de información

Como se vio en los capítulos anteriores, la estructura de la información exige una adquisición de datos muy organizada y que debe cumplir con algunos requisitos básicos para que la gestión de información sea la correcta.

Cuando no se dispone de información vectorial digital es necesario recurrir a buscar fuentes de información para alimentar nuestro SIG. Se puede recurrir entonces a la captura de información directamente en campo mediante el empleo de Topografía convencional o topografía satelital (GPS) y/o a la Conversión de documentos existentes o digitalización.

2.2.5.1 Fuentes de información componente espacial

La componente espacial se refiere a la adquisición de información Georeferenciada de puntos, líneas y polígonos. Las fuentes pueden ser:

• Información Digital Existente : Mapas en formato vectorial provenientes de las instituciones gubernamentales (IGAC por ejemplo) o a entidades privadas que la provean.

• Digitalización de documentos : Digitalización de mapas en papel mediante el uso de la tableta digitalizadora (Figura No 13), Escaneo y posterior Vectorización bien sea mediante software (proceso a veces complejo) o mediante el empleo de tablas digitalizadoras.

• Levantamiento Topográfico : Directamente en campo mediante técnicas de topografía convencional (Teodolito, estación total etc) o mediante el uso de topografía satelital.

Figura No 13 : Digitalización con tableta

2.2.5.2 Adquisición de información Componente no espacial

Se refiere a la adquisición de tablas o bases de datos con la información requerida para el SIG. Sus Fuentes pueden ser:

• Archivos o bases de datos con información tomada de bases de datos gubernamentales (Ej. DANE, Ingeominas, Catastro etc.)

• Diseño de bases de datos y captura de datos de acuerdo con el problema a resolver.

2.2.5.3 Integración de información

Una vez adquirida la información se procede al enlace de los componentes de información mediante el empleo de software y manejadores de bases de datos y SIG.

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2.2.6 Opciones de Digitalización de Vectores

Consiste en el paso de la información de medios físicos (Mapas) a información digital. Normalmente se realiza con la ayuda de una tableta digitalizadora o punteo directo sobre pantalla tomando como base una imagen escaneada.

El software que permite digitalización tiene por lo menos dos opciones. Punto a punto que consiste en disparar un CLIKC en cada detalle o componente de la línea para ser ingresado. La otra opción consiste en un disparo continuo de coordenadas generando los puntos al recorrer la línea, con un intervalo fijado previamente por el usuario. En Autocad el comando es conocido como Sketch.

Ambas opciones tienen sus ventajas y desventajas. Enumeraremos algunas características de cada una de las opciones Clicking y Sketch.

2.2.6.1 Exceso de puntos generados mediante Sketch

La opción Punto a Punto tiene la ventaja de requerir menos espacio de memoria debido a que el usuario decide que puntos son importantes y puede dosificar el numero de cilck’s. Tiene la desventaja de requerir bastante destreza del operario y la necesidad de realizar muchos cilck’s de manera permanente. La opción de disparo continuo (Sketch) es mas sencilla para el operario pero genera un exceso de puntos para la definición de los detalles menos complejos y requiere que el movimiento sea mas lento.(ver Figura No 14).

Figura No 14 : Exceso de Puntos de la opción Sketch

El exceso de puntos generados mediante la opción de disparo continuo se puede depurar mediante el empleo de programas que depuren la información retirando los puntos de exceso mediante algún criterio angular o de distancia.

2.2.6.2 Diente de Sierra – Sketch

Dependiendo de la resolución del medio empleado para la digitalización, se pueden presentar efectos de aspecto desagradable de la forma de diente de sierra, de la información digitalizada mediante Sketch. En la observamos el efecto.

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Figura No 15 : Diente de sierra – Sketch

2.2.7 Requerimiento de digitalización vectorial

Existen varios tipos de información vectorial que deben cumplir con cierto requisitos, para que el cruce de información sea adecuado y sin lugar a errores o interpretaciones defectuosas. A continuación se hace una breve descripción de algunas de ellas.

2.2.7.1 Polígonos o áreas :

Se deben digitalizar únicamente los limites entre áreas una sola vez. Si una línea es común a dos áreas debe aparecer uno solo. Las líneas deben iniciar y finalizar en los vértices de las líneas que conectan. La topología será la encargada de asignar cada limite a su respectivo polígono. No deben haber espacios entre líneas.

2.2.7.2 Redes

Las redes se componen de líneas continuas y deben estar conectadas sin espacios entre ellas. Se debe iniciar desde las líneas de mayor importancia pegando a estas las líneas secundarias en los nodos y así sucesivamente.

2.2.7.3 Contornos

Deben digitalizarse mediante líneas continuas y debe identificarse su valor mediante un atributo de la líneas. No deben haber espacios para colocar etiquetas de texto que indiquen su valor.

2.2.8 Errores de digitalización por nodos perdidos

Cuando se realiza la digitalización de áreas o de redes, es muy importante que no existan nodos perdidos que generen errores. Los mas comunes se resumen en la Figura No 16.

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Figura No 16 : Nodos Perdidos. Missing line, Undershoot y Overshoot

2.2.9 Errores de Digitalización por topología

Como se vio en las estructuras de información, los identificadores se colocan dentro del área (que debe ser cerrada) en caso de existir nodos perdidos o sueltos, la asignación será ambigua y esto genera errores a la hora de hacer el cruce con la información no espacial. En la Figura No 16, observamos que para el caso de la línea perdida se genera una zona de dos identificadores. Esto implica que el área tiene dos características diferentes y hace que no se pueda definir exactamente de que área se trata.

También se pueden presentar por la falta de identificador de algún área o por la aparición de líneas extrañas que puede ocasionar la aparición de áreas sin identificador y que son ajenas al mapa que se realiza. ver Figura No 17.

Figura No 17 : Errores de identificación

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2.3 Formato Raster

2.3.1 Definición

El formato Raster consiste en un método de almacenamiento, proceso y visualización de información espacial. Cada área se divide en filas y columnas, que conforman una grilla regular. Cada celda será de forma rectangular (no necesariamente cuadrada). Cada celda contiene además la información de posición como un atributo. La localización de cada celda esta implícita en su ubicación matricial a diferencia de la estructura vectorial donde las coordenadas se incluyen de manera explicita. Las áreas que contienen una característica en particular son reconocidas como tal pero las estructuras Raster no pueden identificar por si misma los limites de las áreas como contornos.

Los datos en estructura Raster son una abstracción de la realidad donde los datos espaciales se expresan como una matriz de celdas o píxeles (Figura No 18), cuya posición espacial va implícita en el orden de los píxeles. Los datos Raster no son una expresión continua de la realidad sino que se representa mediante unidades discretas. Los datos Raster son aplicables en ciertos tipos de operaciones tales como superposición y calculo de áreas.

Las estructuras Raster ocupan mas memoria en algunas situaciones en virtud a que las celdas ocupan espacio de almacenamiento aunque de encuentren vacías. Por esta razón se has desarrollados diferentes estructuras de almacenamiento.

2.3.2 Estructuras de Almacenamiento

2.3.2.1 Almacenamiento Exhaustivo

Consiste en el almacenamiento de la matriz completa sin importar la existencia de espacios vacíos de información (Figura No 18)

Figura No 18 : Almacenamiento exhaustivo

2.3.2.2 Run-Length

Esta es una técnica de compresión que consiste en agrupar las celdas con información continua o idéntica (Figura No 19) En lugar de guardar cada celda, cada componente guarda el valor y el numero de celdas continuas que contienen dicho valor.

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Figura No 19 : Run Length

2.3.2.3 QuadTree

Es una técnica de compresión mediante la cual se subdivide la totalidad de la grilla buscando que estos subconjuntos tengan el mismo atributo. Ver Figura No 20. Se asignan entonces identificador para cada subdivisión que contenga el mismo atributo.

Figura No 20 : Quad Tree – Partición

Figura No 21 : Quad Tree – Formato

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Al terminar la subdivisión (ver Figura No 21) se construye la base de datos o tabla conteniendo el numero de cuadrante, las coordenadas de su extremo inferior izquierdo, el Nivel (o Numero de subdivisiones realizada) y el valor del atributo o característica.

2.3.3 Adquisición de datos

La captura de datos para los formatos Raster se puede realizar así:

• Sensores remotos

• Digitalización de puntos, líneas, polígonos.

• Digitalización automática

• Escaneo

2.4 Integración de información La implementación final de la información en el SIG reúne los datos adquiridos tanto en formatos Raster y vector como la información de bases de datos.

Figura No 22 : Esquema de integración de información

2.5 Registro de mapas Se conoce como registro al proceso de enlazar la información espacial de un mapa físico o escaneado a un sistema de referencia único. Para este proceso se emplean las coordenadas indicadas en las grillas o cruces de líneas, los tics o mediante puntos de control.

Este proceso transforma las coordenadas locales bien sea de la tableta digitalizadora o de la imagen escaneada (píxeles) a las coordenadas del sistema de proyección empleado en la elaboración de los mapas del SIG que se este elaborando.

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2.5.1 Transformación de coordenadas locales a reales

Ref : http://nweb.pct.edu/homepage/staff/wsprinsk/data_transformation/

En los procesos de digitalización se presentan errores tanto de origen humano como del estado de la información física que se quiera digitalizar. Los mapas en papel pueden tener deformaciones debidas al estado de los mismos. Mediante el proceso de ajuste se pretende eliminar los errores y así obtener una información de calidad. Estas correcciones se realizan mediante el empleo de ecuaciones de transformación y/o de ajuste.

2.5.1.1 transformación Similar (de cuatro parámetros)

Cuando contamos con una mapa en papel que se encuentra en un buen estado, se tiene que solamente es necesario realizar un traslado, una rotación y la aplicación de un factor de escala de manera que obtengamos a partir de las coordenadas locales del medio físico (milímetros, centímetros o píxeles o coordenadas de tableta) las coordenadas reales de acuerdo con el sistema de proyección en que fue elaborado dicho mapa ver Figura No 23. Esta transformación se realiza de manera simple mediante el empleo de una ecuación sencilla :

X = K ( (cosα )x + (senα )y ) + C

Y = K ( (-senα )x + (cosα )y ) + F Donde :

x : Coordenada Este Real del punto

y : Coordenada Norte Real del Punto

C : Desplazamiento del centro de rotación en X

F : Desplazamiento del centro de rotación en Y

K : Factor de Escala (igual en X y en Y)

α : Angulo de rotación

X : Coordenada local X del medio escaneado o de la tableta digitalizadora

Y : Coordenada local Y del medio escaneado o de la tableta digitalizadora

Figura No 23 : Modelo geométrico general de transformación

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http://nweb.pct.edu/homepage/staff/wsprinsk/data_transformation/



Esta ecuación se aplica para mapas ortogonales con igual escala en las dos direcciones cardinales principales. Esta transformación es incorrecta para la mayoría de los mapas con los que se cuenta. La calidad del mapa debe ser excepcional.

La ecuación inversa para este tipo de transformación será:

y = X senα / K + Y cosα / K – (C senα + F cosα )/K

x = X cosα / K + Y senα / K – (C cosα + F senα )/K La solución de las ecuaciones de manera directa se plantea de la siguiente manera:

X = Ax + By + C Y = -Bx + Ay + F

Y la inversa

x = A’X + B’Y + C’ y = -B’X + A’Y + F’

Donde:

A’ = A / (A2 + B2 ) B’ = -B / (A2 + B2 )

C’ = -( AC - BF ) / (A2 + B2 ) F’ = - ( BC + AF ) / (A2 + B2 )

La solución explicita para el conjunto de ecuaciones anteriores para n puntos leídos en la tableta digitalizadora o en pantalla será:

( )( ) ( )( )[ ]( ) ( )[ ]∑

∑−+−

−−+−−+= 2

mi2

mi

iimiiimi

yyxxyyyxxx

1AYX

( )( ) ( )( )[ ]( ) ( )[ ]∑

∑−+−

−−−−−= 2

mi2

mi

iimiiimi

yyxxyxxxyy

BYX

( ) ( )[ ] mmmii ByAxxxn/1C −−+−= ∑ X

( ) ( )[ ] mmmii BxAyyyn/1F +−+−= ∑ Y

En las ecuaciones anteriores la notación [] indica la sumatoria de los n puntos leídos. El Sufijo i indica cualquier punto desde i hasta n y el sufijo m significa el promedio de dicha cantidad.

El procedimiento de ajuste se realiza de la siguiente manera:

• En los puntos de control tenemos valores de X,Y reales obtenidas de la grilla o de la determinación en campo de las coordenadas reales del punto que tiene coordenadas locales x,y obtenidas de las dimensiones de la imagen escaneada o de la tableta digitalizadora.

• Con base en esas parejas de coordenadas se calculan los factores A, B, C, y D correspondientes para cada una de ellas. Mediante procesos estadísticos de regresión se obtienen los mejores valores para los parámetros.

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• La cantidad de puntos empleados para el registro determina la cantidad de ecuaciones redundantes que permiten la obtención del mejor valor promedio de los parámetros de transformación. Si se utilizan solamente dos puntos se cuenta con únicamente 4 ecuaciones (dos por cada punto) que permiten resolver las ecuaciones para las cuatro incógnitas sin ajuste. EL empleo de tres o mas puntos mejora la calidad del registro.

• Si se emplean tres o mas puntos es posible recalcular coordenadas y comparar con las coordenadas de control. De esta manera se calcula el error en cada punto y se obtiene el ajuste final del proceso de registro. En este momento se pueden eliminar puntos con el error as elevado y contar así con la mejor ecuación de ajuste.

• Finalmente se hace la transformación de todos los puntos mediante las ecuaciones empleando los mejores valores de los parámetros A, B, C y D.

2.5.1.2 transformación AFFINE

En el caso de tener un medio con problemas de escala (diferentes en X y Y) es necesario incluir dos parámetros adicionales para el ajuste de coordenadas que involucren las dos escalas. La ecuación será la siguiente:

X = Ax + By + C Y = Dx + Ey + F

Donde :





A , B , D, E : Involucran la rotación y las dos escalas


Y : Coordenada local Y del medio escaneado o de la tableta digitalizadora La solución para el ajuste con n puntos de registro será:

( )( )[ ] ( )( )[ ]( )[ ] ( )( )[ ]∑ ∑

∑ ∑−−−−

−−−−−=

mimi12

mi

iimi1iimi

xxyyPxxyyyPyxx

DYY

( )( )[ ] ( )( )[ ]( )[ ] ( )( )[ ]∑ ∑

∑ ∑−−−−

−−−−−=

mimi22

mi

iimi2iimi

yyxxPyy

xxxPxyyB

XX

( )( )[ ]( )[ ]∑

∑−

−−+−= 2

mi

iimi1 yy

yyyDP1E

Y

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( )( )[ ]( )[ ]∑

∑−

−−+−= 2

mi

iimi2 xx

xxxBP1A

X

( ) ( )[ ] mmmii ByAxxxn1C −−+−= ∑ X

( ) ( )[ ] mmmii DxEyyyn1F −−+−= ∑ Y

Donde:

( )( )[ ]( )[ ]∑

∑−

−−= 2

mi

mimi

yy

yyxx1P

( )( )[ ]( )[ ]∑

∑−

−−= 2

mi

mimi

xx

yyxx2P

En las ecuaciones anteriores la notación [] indica la sumatoria de los n puntos leídos. El Sufijo i indica cualquier punto desde i hasta n y el sufijo m significa el promedio de dicha cantidad.

Las ecuaciones inversas serán:

x = A’X + B’Y + C’ y = D’X + E’Y + F’

Donde:

A’ = E / (EA – DB) B’ = - B / (EA - DB)

C’ = (BF – CE) / (EA – DB) D’ = -D / (EA – DB) E’ = A / (EA – DB)

F’ = (DC – FA) / (EA – DB) Finalmente, la ecuación que define las coordenadas del medio físico o locales X,Y en términos de las coordenadas reales del sistema de proyección cartográfica empleado y considerando un modelo de transformación que tienen en cuenta dos escalas diferentes para las dos direcciones cardinales principales, traslación y rotación (ver Figura No 23), serán:

X = Cx (cosα ) x + [Cy senα senγ + Cx cosα cosγ ] y + C

Y = -Cx (senα ) x + [Cy cosα senγ − Cx senα cosγ ] y + F

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Y de manera inversa será:

y = (X/ Ky)( senα senγ)y + (Y/Ky)(cosα senγ) − (cosα senγ/Ky)(C tanα +F)

x = X (cosα / Kx - senα cotγ / Ky) – Y (senα / Kx + cosα cotγ / Ky)

- C (cosα / Kx - senα cotγ / Ky) + F (senα / Kx + cosα cotγ / Ky) Donde :





Kx : Factor de Escala en la dirección X

Kx : Factor de Escala en la dirección Y

α : Angulo de rotación

γ : Complemento del Angulo de rotación


Y : Coordenada local Y del medio escaneado o de la tableta digitalizadora

El procedimiento de ajuste se realiza de manera similar al anterior.

2.5.1.3 Transformaciones complejas

Cuando el medio presenta distorsiones tanto de escala como de rotación, se hace necesario involucrar transformaciones mas complejas que permitan corregir dichos errores. En el caso de Autocad o arc/Info se realizan correcciones llamadas Proyectivas, que realizan el registro mediante el empleo de mayor numero de puntos.

2.6 Paso de información entre formatos Vector y Raster

2.6.1 Vector a Raster

Se conoce como rasterización y es un proceso mas sencillo que el paso contrario. Consiste en almacenar en grillas o píxeles la información proveniente de formatos vectoriales. Depende de la resolución y el tipo de información que se quiera rasterizar.

2.6.2 Raster a Vector

Conocido como Vectorización. Como proceso automático requiere software bastante complejo que debe reconocer patrones gráficos y seguirlos. Estos programas por lo general deben ser asistidos por el operario de manera que el proceso en la mayoría de los casos es semi-automático. En los últimos años se ha mejorado el desempeño de estos paquetes mediante el empleo de redes neuronales.

Otra forma de Vectorización es la digitalización manual del documento o archivo Raster.

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