1. Contenido TOC
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Tema 1 PAGEREF _Toc235850207 11.Introducción a un SIG PAGEREF _Toc235850208 11.1Algo de historia de los SIG PAGEREF _Toc235850209 22.Tipos de información PAGEREF _Toc235850210 72.1Operaciones habituales con datos ráster PAGEREF _Toc235850211 82.2Operaciones habituales con datos vectoriales PAGEREF _Toc235850212 93.Tipos gráficos PAGEREF _Toc235850213 94.Almacenamiento y representación de la información PAGEREF _Toc235850214 115.BBDDs geográficas PAGEREF _Toc235850215 205.1BBDDs sin geometrías ni componente espacial propio PAGEREF _Toc235850216 215.2BBDDs con geometrías pero sin componente espacial propio PAGEREF _Toc235850217 225.3BBDDs con geometrías y con componente espacial propio PAGEREF _Toc235850218 26 Tema 1 Introducción a un SIGTipos de informaciónTipos gráficosAlmacenamiento de la informaciónBBDDs geográficas… Introducción a un SIG Un Sistema de Información Geográfica (SIG o GIS, en su acrónimo inglés) es una integración organizada de hardware, software y datos geográficos diseñado para capturar, almacenar, manipular, analizar y desplegar en todas sus formas la información geográficamente referenciada con el fin de resolver problemas complejos de planificación y gestión. Los SIG son herramientas que permiten a los usuarios crear consultas interactivas, analizar la información espacial, editar datos, mapas y presentar los resultados de todas estas operaciones. Algo de historia de los SIG Una de las primeras representaciones gráficas que actualmente se conservan es la de la estructura urbana de Çatal Höyük, un asentamiento ubicado al sur de la península de Anatolia, cerca del poblado de Konya, en la actual Turquía. Esta civilización, que estaba en pleno desarrollo, fue interrumpida drásticamente hacia el 4700 a. C. por un gran incendio, que coció el adobe y permitió que paredes de hasta tres metros quedaran en pie. Desde entonces, la abstracción para representar el terreno ha pasado por diferentes momentos relacionados con la historia de la humanidad: Papiro de Turín, 1300 ac Herodoto, 450 ac Edad Media Con la navegación, la medida de longitudes y la imprenta apareció un nuevo tipo de mapa, como el de Juan de la Cosa, 1500 dc Pero el mapa que marca la entrada en el concepto de SIG, fue el del el Dr. John Snow, cuando en 1854 cartografió la incidencia de los casos de cólera en un mapa del distrito de SoHo en Londres y que permitió a Snow localizar con precisión un pozo de agua contaminado como fuente causante del brote. El primer Sistema de Información Geográfica formalmente desarrollado aparece en Canadá, al auspicio del Departamento Federal de Energía y Recursos. Este sistema, denominado CGIS (Canadian Geographical Information Systems), fue desarrollado a principios de los 60 por Roger Tomlinson, quien dió forma a una herramienta que tenía por objeto el manejo de los datos del inventario geográfico canadiense y su análisis para la gestión del territorio rural. El desarrollo de Tomlinson es pionero en este campo, y se considera oficialmente como el nacimiento del SIG. Es en este momento cuando se acuña el término, y Tomlinson es conocido popularmente desde entonces como “el padre del SIG”. En la década de los 80, M&S Computing (más tarde Intergraph), Environmental Systems Research Institute (ESRI) y CARIS (Computer Aided Resource Information System) emergerían como proveedores comerciales de software SIG. Incorporaron con éxito muchas de las características de CGIS, combinando el enfoque de primera generación de Sistemas de Información Geográfica relativo a la separación de la información espacial y los atributos de los elementos geográficos representados con un enfoque de segunda generación que organiza y estructura estos atributos en bases de datos. El producto comercial Base de Intergraph es Geomedia y el de Esri es ArcGis A partir de este punto, el campo de los SIGs recorre sucesivas etapas hasta nuestros días, evolucionando muy rápidamente ante la influencia de numerosos factores externos. Tipos de información Los datos SIG representan los objetos del mundo real (carreteras, el uso del suelo, altitudes). Los objetos del mundo real se pueden dividir en dos abstracciones: objetos discretos (una casa) y continuos (cantidad de lluvia caída, una elevación). Existen dos formas de almacenar los datos en un SIG: ráster y vectorial. En la siguiente tabla, algunos sistemas de información geográficos que soportan información de tipo vector y ráster Tipo de información que soportavectorialrástergvSIGSiSiGeomediaSiSiArcGisSiSiGrassSiSiAutoCad MapSiSiBentley MapsSiSiIlwisSiSi Un tipo de datos raster es, en esencia, cualquier tipo de imagen digital representada en mallas que divide el espacio en celdas regulares donde cada una de ellas representa un único valor. En un modelo raster, cuanto mayores sean las dimensiones de las celdas menor es la precisión o detalle (resolución) de la representación del espacio geográfico. En los datos vectoriales, el interés de las representaciones se centra en la precisión de localización de los elementos geográficos sobre el espacio, donde los fenómenos a representar son discretos, es decir, de límites definidos. De forma general, son los datos vectoriales a los que se les asocia la información alfanumérica (que se llaman atributos). Operaciones habituales con datos ráster Análisis de distancia Captura directa de información Digitalización Restitución fotogramétrica Captura indirecta de información Técnicas de teledetección (oferta CyII) Es importante hablar de que no podemos digitalizar directamente sobre un fotograma. Operaciones habituales con datos vectoriales Análisis por atributos Análisis espacial (importancia de inexistencia de errores geométricos) Práctica superwuay de generación de buffers, superposiciones y toa la pera Tipos gráficos La mayor parte de los programas Sig disponen de la definición de una extensa lista de tipos gráficos de elementos para almacenar todas las posibles entidades. Así, Microstation (Bentley). Formato DGN versión 7, dispone de los siguientes: Nº tipoTipo de elemento1Cell Library Header2Cell (complex)3 Line4Line String5 Group Data6Shape7Text Node (complex)8 Digitizer Setup Data9Design File Header10Level Symbology11Curve12Complex String (complex)13Conic14Complex Shape (complex)15Ellipse16Arc17Text18Surface (complex)19Solid (complex)20not used21B-Spline Pole22Point String23Circular Truncated Cone24B-Spline Surface (complex)25B-Spline Surface boundary26B-Spline Knot Element27B-Spline Curve (complex)28B-Spline Weight Factor33Dimension Element34Shared Cell Definition Element35Shared Cell Element36Multiline Element37Attribute Element66MicroStation Application87Raster Header88Raster Component90Raster Reference Attachment ArcGis (Esri). Formato SHP: ValorTipo de shape0Null Shape1Point3PolyLine5Polygon8MultiPoint11PointZ13PolyLineZ15PolygonZ18MultiPointZ21PointM23PolyLineM25PolygonM28MultiPointM31MultiPatch Y Geomedia (Intergraph). Formato MDB: OrdinalTipo de Geometría1ArcGeometry2BoundaryGeometry3CompositePolygonGeometry4CompositePolylineGeometry5GeometryCollection6LineGeometry7OrientedPointGeometry8PointGeometry9PolygonGeometry10PolylineGeometry11RectangleGeometry12TextPointGeometry Si bien en cartografía, es habitual trabajar sólo con tipos gráficos primitivos, es decir, aquellos tipos sobre los que se pueden generar otros más complejos por operaciones topológicas. Los tipos gráficos primitivos son los tipos de más sencilla representación y almacenado, estando aceptados en todos los SIG existentes. Por ello, son los permitidos y recomendados en los Pliegos Técnicos de las organizaciones públicas y privadas. Para modelar digitalmente las entidades del mundo real se utilizan, de forma básica, tres tipos gráficos primitivos: el punto, la línea y el polígono: Puntos Los puntos se utilizan para las entidades geográficas que mejor pueden ser expresadas por un único punto de referencia. En otras palabras: la simple ubicación. Por ejemplo, las ubicaciones de los pozos, picos de elevaciones o puntos de interés. Los puntos transmiten la menor cantidad de información de estos tipos de archivo y no son posibles las mediciones. También se pueden utilizar para representar zonas a una escala pequeña. Por ejemplo, las ciudades en un mapa del mundo estarán representadas por puntos en lugar de polígonos. Correspondencia de primitiva con el tipo gráfico del programaMicrostationLine (caso particular donde una línea con idéntico inicio y final se considera un punto)ArcGisPointGeomediaPointGeometry Líneas o polilíneas Las líneas unidimensionales o polilíneas son usadas para rasgos lineales como ríos, caminos, ferrocarriles, rastros, líneas topográficas o curvas de nivel. De igual forma que en las entidades puntuales, en pequeñas escalas pueden ser utilizados para representar polígonos. En los elementos lineales puede medirse la distancia. Correspondencia de primitiva con el tipo gráfico del programaMicrostationLine String (Máximo de 101 vértices en la versión 7)ArcGisPolygonGeomediaPolygonGeometry Polígonos Los polígonos bidimensionales se utilizan para representar elementos geográficos que cubren un área particular de la superficie de la tierra. Estas entidades pueden representar lagos, limites de parques naturales, edificios, provincias, o los usos del suelo, por ejemplo. Los polígonos transmiten la mayor cantidad de información en archivos con datos vectoriales y en ellos se pueden medir el perímetro y el área. Correspondencia de primitiva con el tipo gráfico del programaMicrostationShape (Máximo de 101 vértices en la versión 7)ArcGisPolylineGeomediaPolylineGeometry Almacenamiento y representación de la información Para definir el almacenamiento y la representación de objetos geográficos, hay que diferenciar dos tipos de modelado: El modelado vector: Donde, a su vez, existen dos estructuras diferentes (espagueti y arco-nodo): Estructura en espagueti: Se trata de una estructura de datos simple, sin topología. Los datos se guardan de la siguiente forma. Puntos, como un par de coordenadas Líneas, como una sucesión de pares de coordenadas. Polígonos, cadena de pares de coordenadas con repetición del primer par de coordenadas que indica que es un elemento cerrado La forma de representar el mapa de la figura con este tipo de estructura sería (para el polígono a): y para el resto de polígonos: Inconvenientes de esta estructura: Almacena por duplicado los límites entre dos polígonos adyacentes. Se almacena sin ninguna estructura espacial aparente; no presenta relaciones espaciales. Es ineficiente para análisis espaciales. Es muy eficiente para trazar o “plotear”. A este tipo de estructura, pertenecen los ficheros de Microstation (.dgn) Aun así, es una estructura que los organismos siguen demandando. Estructura arco-nodo: Representa la topología. El formato SHP de Esri está codificado de esta forma. De hecho, el nombre de Arc Info viene de los dos ficheros que usa. Uno para las coordenadas de los arcos, y otro para la topología. En la figura, se marcan los vértices como puntos rojos Los nodos son vértices en los que se cortan líneas. También se considera nodo el extremo final de una línea. En un polígono cerrado, uno de los puntos es un nodo. Un punto aislado, es también un nodo. Los arcos son las líneas que unen dos nodos. Un punto se considera un polígono La forma de representar el mapa de la figura con este tipo de estructura sería: Inconveniente principal de esta estructura: Cuándo se actualiza, hay que reconstruir toda la topología, con lo que en archivos grandes, el tiempo de recálculo suele ser alto. Ventaja: En ella se especifica la topología de forma completa ya que tiene en cuenta, las líneas que están conectadas entre sí, los segmentos que delimitan un polígono y los polígonos que son contiguos. Es la estructura más característica de los SIG vectoriales. A principios de los años 80 la comunidad científica ya debatió y concluyó que el modelo arco-nodo era el adecuado para almacenar, controlar y mantener grandes bases vectoriales. El modelado raster: Proporciona una aproximación basada en objetos elementales (celdas), que pueden agruparse para constituir objetos complejos que representan el mundo real. La representación de los elementos del mundo real se realiza de la siguiente forma: Un punto. Se representa mediante una celda o píxel. Una línea: se representa mediante una sucesión de celdas alineadas Un polígono. Se representa mediante una agrupación de celdas contiguas Se asignan códigos a las celdas, según tres tipos de muestreo: Modal, lo más representativo de la celda. Punto medio, lo que hay en el punto medio de la Celda. Muestreo lógico, si la entidad aparece o no aparece Cada superficie a representar se divide en filas y columnas, formando una malla o rejilla regular. Cada celda ha de ser rectangular, aunque no necesariamente cuadrada. Lo que se guarda en cuánto a un fichero ráster, son las coordenadas de la cuadrícula e información de cómo se han de recorrer esas coordenadas, a diferencia del vectorial que cada objeto tiene sus coordenadas. Existen tres formas de representación de las estructuras ráster: Enumeración recursiva: Es el método menos eficiente de todos. Se necesitan mxn valores digitales para almacenar la información. La codificación anterior sobre un fichero, es: Enumeración Run-Length: Es un método adecuado cuándo la imagen es muy homogénea y tiene pocas categorías. Enumeración por árboles cuaternarios (Quadtree): Este método consiste en una división recursiva del espacio en cuadrantes y subcuadrantes, hasta llegar a la división mínima que es el pixel. La imagen se divide en 4 celdas y si la entidad en cuestión aparece en alguna celda esta se va dividiendo sucesivamente en cuadrantes hasta cierta resolución. Esta estructura permite ahorrar mucho más espacio y admite celdas de diferente tamaño, pero las operaciones de análisis, combinación y modificación (rotaciones, proyecciones) son complejas de realizar. BBDDs geográficas Un Sistema de Información geográfica se compone de entidades gráficas (geometrías) y de una base de datos subyacente que normalmente contendrá la información alfanumérica (atributos) La información gráfica estará almacenada de alguna forma similar a la citada en el capítulo anterior. Puede estarlo en un fichero ascii, en un fichero binario o en la propia base de datos, pero hay que diferenciar lo que es una base de datos geográfica que contiene geometrías de objetos o entidades y que el motor espacial lo proporciona el programa utilizado, de aquellas otras BBDDs que de forma nativa incorporan relaciones y operadores espaciales. BBDDs sin geometrías ni componente espacial propio Un ejemplo claro de esta situación es Microstation donde las entidades geométricas se almacenan en formato binario DGN y la conexión a los atributos se realiza por medio de un acceso a datos de tipo ODBC. Esta conexión sólo nos indica que existe una relación entre un número (almacenado de forma interna en cada elemento dgn) y otro número ubicado en la columna mslink del fichero externo. Hay que olvidarse de que dentro del dgn están almacenados los atributos. Los atributos se almacenan en el fichero externo, lo que se almacena en el dgn es el número que los relaciona. El número 2 Hex de la tabla se corresponde también con el 2 en decimal y a su vez indica el número de entidad definido en la tabla MSCatalog de la base de datos ‘miBaseDatos.mdb’. Microstation ‘sabe’ que el número 2 definido en la cuarta posición del octeto se corresponde con la entidad 2 que lo relaciona con el nombre de tabla pozos. Microstation ‘sabe’ que el número 1633 Hex en la quinta posición del octeto es el número 5683 en decimal y se corresponde con el mslink que tiene que buscar en la BBDDs vinculada. Efectivamente, lo buscará SIEMPRE en la columna mslink de la tabla pozos, BBDDs con geometrías pero sin componente espacial propio Este es el caso de Geomedia y el caso del formato SHP, de carácter público (www.esri.com). Los tres archivos del formato shape, son: *.shp almacena la geometría del elemento (es decir, la información sobre la forma y la localización). *.shx almacena el índice de la geometría del elemento. *.dbf un archivo dBase que almacena la información de atributos de elementos. La componente espacial la proporciona el software gestor de los datos, bien sea ArcGis (Esri) o bien gvSIG (http://www.gvsig.gva.es), que utiliza el formato shp de forma nativa y que será el que utilicemos en nuestras prácticas. gvSIG, en la última versión estable 1.1, permite los siguientes consultas y relaciones espaciales (geoprocesos): Área de influencia (buffer)Recortar (clip)Dissolve (agrupar por adyacencia y criterios alfanuméricos)Juntar (merge)IntersecciónUniónEnlace espacial (Spatial Join)Convex Hull (mínimo polígono convexo)Diferencia En el tema siguiente, veremos en detalle cada una de ellas. BBDDs con geometrías y con componente espacial propio Son bases de datos que tienen la capacidad de almacenar la geometría de la información gráfica, indexar por sí misma cada una de las entidades y establecer relaciones espaciales entre ellas. El motor espacial lo proporciona, a diferencia del subcapítulo anterior, el propio sistema gestor de la base de datos. Una de las más famosas bases de datos, por su potencia, es Oracle (meter el link). La indicación de que porta el módulo espacial lo sabremos por la letra “i”, que acompaña al número de versión correspondiente. Por ejemplo, Oracle10i. [meter logo de Oracle] MySQL es una base de datos muy popular, especialmente en combinación con el servidor web Apache y el lenguaje de programación PHP, todos con licencia GNU General Public License 2.0. De hecho, la gestión del sitio www.sinfogeo.es está realizada con esta base de datos, así como la plataforma educativa de este curso (Moodle), que también la utiliza. En el ámbito geoespacial es mucho menos utilizada ya que no cumple con los estándares internacionales, ni incorpora toda la funcionalidad y potencia que ofrece PostGIS. Aún así, en ocasiones puede ser interesante utilizar sus funcionalidades geoespaciales, por ejemplo en la integración con sistemas ya existentes. PostgreSQL es un potente sistema de base de datos relacional libre, liberado bajo la licencia BSD. Es una alternativa a sistemas propietarios como Oracle. Con PostGIS, el módulo para PostgreSQL desarrollado principalmente por Refractions Research Inc. PostgreSQL adquiere la capacidad de almacenar información geoespacial (cumpliendo el estándar SFSS) y de realizar operaciones de análisis geográfico. Además, utilizando la extensión pgRouting se puede emplear como un potente motor de cálculo de rutas y otras operaciones geoespaciales. + Algunas de las consultas espaciales que se pueden realizar con postGIS son: Envelope(geometry)Retorna un POLYGON que representa la caja circunscrita de la geometríaNumPoints(geometry)Busca y devuelve el número de puntos del primer linestring en la geometry.Devuelve NULL sino hay linestringDistance(geometry,geometry)Devuelve la distancia cartesiana entre dos geometrías en unidades proyectadasCentroid(geometry)Devuelve un punto que representa el centroide de la geometríalength2d(geometry)Devuelve la longitud 2d de la geometría si es una linestring o multilinestring Cuestionario del Tema 1 sdfsdf Práctica del Tema 1 Objetivo: Asimilar los conceptos más relevantes del tema y familiarizarse con la interfaz gvSIG y Sextante. Descripción: La imagen se corresponde con un parcelario, donde se representa una edificación, una zona verde y un río. La práctica consiste en REPRESENTAR el mapa en un fichero ascii (sólo texto) de dos formas diferentes, vector y ráster. Como vector, la representación se realizará por medio de la estructura arco-nodo. Como ráster, la representación se realizará por medio de la estructura quadtree. Pasos a realizar: Instalación de gvSIG (página).Video Instalación de Sextante (página). Video Descarga de los datos de la práctica (esta imagen y 3 ficheros shp) Carga y visualización de los datos de la práctica. Video