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Sistemas de Información Geográfica Maria Paz Errea Abad 

Instituto Pirenaico de Ecología  (C.S.I.C.)  

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INDICE

1.- Los Sistemas de Información Geográfica: Descripción, funciones y aplicaciones 4

1.1.- Definiciones de Sistemas de Información Geográfica: 4

1.2.- Funcionamiento de un SIG 6

1.3.- Usos de los Sistemas de Información Geográfica 7

1.4 Aplicaciones de los SIG 10

1.5.- Análisis en los SIG 13

2.- Información georreferenciada. Sistemas de coordenadas y de proyección 14

2.1.- Escala 14

2.2.- Proyección 18

3.- Modelos de datos: vectoriales y raster. Ventajas e inconvenientes, diferentes

aplicaciones. 25

3.1.- Modelo de datos Raster 26

3.1.1.- Clasificaciones de los datos raster: 28

3.1.2.- Fuentes de origen de datos Raster. 30

3.2.- Modelo de datos Vectorial 32

3.2.1.- Las fuentes de información vectorial pueden ser: 36

3.3.- Ventajas y desventajas del modelo raster respecto al vectorial 37

3.4.- Cambio formato raster-vector 38

3.5.- Análisis vectorial 39

3.6.- Funciones de análisis raster 44

4.- Los modelos digitales del terreno 47

4.1.- Cálculo de variables topográficas: información derivada del MDE

mediante análisis focal 49

5.- Principales SIG: comerciales: (arcgis, idrisi, ermapper) y libres (GRASS,

SAGA, gvsig) 53

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1.‐ Los Sistemas de Información Geográfica: Descripción, funciones y aplicaciones 

Un SIG se basa en una serie de capas de información espacial en formato digital que representan diversas variables, o bien capas que representan entidades a los que corresponden varias entradas en una base de datos enlazada (figura 1.1). Estas capas corresponden, al menos en parte, a la misma zona, de manera que pueden analizarse en conjunto. De este modo puede combinarse, en un mismo sistema, información espacial y temática, con orígenes y formatos muy diversos.

Figura 1.1.- Organización por capas temáticas de la información espacial en un SIG

La razón fundamental para utilizar un SIG es la gestión de información espacial. El sistema permite separar la información en diferentes capas temáticas y las almacena independientemente, permitiendo trabajar con ellas de manera rápida y sencilla, y facilitando la posibilidad de relacionar la información existente con el fin de generar otra nueva a partir de operaciones de análisis y modelización

1.1.­ Definiciones de Sistemas de Información Geográfica: 

Un Sistema de Información Geográfica (SIG o GIS, en su acrónimo inglés (Geographic Information System)) 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.

También puede definirse como un modelo de una parte de la realidad referido a un sistema de coordenadas terrestre y construido para satisfacer unas necesidades concretas de información. En el sentido más estricto, es cualquier sistema de información capaz de integrar, almacenar, editar, analizar, compartir y mostrar la información geográficamente referenciada. En un sentido más genérico, 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.

Existen otras muchas definiciones de SIG, algunas de ellas acentúan su componente de base de datos, otras sus funcionalidades y otras enfatizan el hecho de ser una herramienta de apoyo en la toma de decisiones, pero todas coinciden en referirse a un SIG como un sistema integrado para trabajar con información espacial, herramienta esencial para el análisis y toma de decisiones en muchas áreas de gestión e investigación.

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Desde el punto de vista de las herramientas, los Sistemas de Información Geográfica se han desarrollado a partir de la unión de diversos tipos de aplicaciones informáticas: la cartogafía automática tradicional, los sistemas de gestión de bases de datos, las herramientas de análisis digital de imágenes, los sistemas de ayuda a la toma de decisiones y las técnicas de modelización física. Por ello tienden a veces a ser considerados un software complejo para ser usados por informáticos, sin embargo la fuerte carga teórica de los SIG exige al usuario conocimientos adecuados acerca de la ciencia espacial con la que está trabajando para escoger, en cada caso, las herramientas adecuadas a cada análisis en particular. Por otro lado, para un especialista en ciencias de la tierra y ambientales que desee introducirse en el manejo de los SIG, resulta imprescindible una formación informática sólida. Por tanto utilizar una determinada herramienta SIG para resolver un problema implica la aceptación, al menos implícita, de una teoría, una hipótesis, acerca de los datos que se manejan. Este problema está en el centro de los debates acerca de si los SIG deben considerarse tan sólo como una herramienta neutra o como una disciplina científica. Por otro lado, el desarrollo de los SIG no ha supuesto sin embargo un cambio real en los modos de analizar la información. Gran parte de los algoritmos utilizados se conocían desde antes de la aparición de los ordenadores y simplemente eran demasiado lentos para ser utilizados. La utilización de grandes ordenadores y herramientas sofisticadas no garantiza tampoco la calidad de los resultados. Sólo con buenos datos de partida, un modelo de datos adecuado a los mismos y técnicas de análisis también adecuadas podrán obtenerse buenos resultados. Estos programas es lo que normalmente se conoce como SIG (IDRISI, ArcGis, GRASS, etc.), pero que realmente constituyen tan sólo un componente de lo que es realmente un SIG. Podríamos considerar, en sentido amplio que un SIG está constituido por: 1. Bases de datos espaciales en las que la realidad se codifica mediante unos modelos de datos específicos.

2. Bases de datos temáticas cuya vinculación con la base de datos cartográfica permite asignar a cada punto, linea o área del territorio unos valores temáticos (figura 1.2).

Figura 1.2.- Elemento geográfico y tabla de atributos asociada

3. Conjunto de herramientas que permiten manejar estas bases de datos de forma útil para diversos propósitos de investigación, docencia o gestión (figura 1.3).

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Figura 1.3.- Herramientas de análisis y superposición disponibles en un SIG

4. Conjunto de ordenadores y periféricos de entrada y salida que constituyen el soporte físico del SIG. Estas incluyen tanto el programa de gestión de SIG cómo otros programas de apoyo.

5. Comunidad de usuarios que pueda demandar información espacial.

6. Administradores del sistema encargados de resolver los requerimientos de los usuarios bién utilizando las herramientas disponibles o bien produciendo nuevas herramientas (figura 1.4)

Figura 1.4.- Modelo gráfico de flujo de trabajo en un proceso de análisis con SIG

1.2.­ Funcionamiento de un SIG 

El SIG funciona como una base de datos con información geográfica (datos alfanuméricos) que se encuentra asociada por un identificador común a los objetos gráficos de un mapa digital (figura 1.5). De esta forma, señalando un objeto se conocen sus atributos e, inversamente, preguntando por un registro de la base de datos se puede saber su localización en la cartografía.

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Figura 1.5.- Consulta sobre la tabla o sobre el elemento geográfico en un SIG

Por ser tan versátiles, el campo de aplicación de los Sistemas de Información Geográfica es muy amplio, pudiendo utilizarse en la mayoría de las actividades con un componente espacial. La profunda revolución que han provocado las nuevas tecnologías ha incidido de manera decisiva en su evolución:

Se incrementan tanto la demanda como la disponibilidad de datos espaciales y de técnicas para su análisis.

El trabajo en diversas lineas de investigación básica y aplicada en ciencias de la Tierra y medioambientales suele requerir la combinación de varios mapas representando diferentes propiedades en diferentes períodos así como la incorporación de bases de datos temáticas.

El conjunto de desarrollos tecnológicos globalmente denominados tecnologías de la información han permitido manejar grandes volúmenes de datos espaciales a muy bajo coste.

Existe la disponibilidad de información espacial a intervalos regulares de tiempo (imágenes de satélite).

Se produce un abaratamiento del hardware con lo que los SIG y la teledetección dejan de ser privativos de grandes centros de investigación o la administración.

 1.3.­ Usos de los Sistemas de Información Geográfica 

Las principales cuestiones que puede resolver un Sistema de Información Geográfica, ordenadas de menor a mayor complejidad, son:

1. Localización: preguntar por las características de un lugar concreto. 2. Condición: el cumplimiento o no de unas condiciones impuestas al sistema. 3. Tendencia: comparación entre situaciones temporales o espaciales distintas de alguna

característica. 4. Rutas: cálculo de rutas óptimas entre dos o más puntos. 5. Pautas: detección de pautas espaciales. 6. Modelos: generación de modelos a partir de fenómenos o actuaciones simuladas.

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La inclusión de información espacial y temática permite llevar a cabo consultas de diverso tipo, desde las más simples a las más complejas, así como analizar los datos y ejecutar modelos acerca del funcionamiento de los sistemas ambientales representados.

Quizás la operación más sencilla sea la producción de mapas de las variables contenidas en una base de datos o de nuevas variables calculadas a partir de las disponibles. Esto no supone la obtención de nueva información, es simplemente una operación de cartografía automática (figura 1.6).

Figura 1.6.- Elaboración de una salida cartográfica de un elemento de la base de datos del SIG

Hoy en día están apareciendo un gran número de programas sencillos para realizar esta labor, lo que se conoce como desktop mapping, que es un complemento a los SIG más que SIG en si mismo. Sin embargo gran parte de la popularización de los SIG se debe a este tipo de aplicaciones ya que han permitido introducir la dimensión espacial de la información de forma sencilla. La mayoría de los programas de SIG permiten este tipo de operaciones sencillas de visualización y organización de la base de datos, basada en coordenadas geográficas y teniendo en cuenta sus atributos temáticos.

Otro tipo de operaciones muy importantes se refieren a la capacidad de integrar información proveniente de diferentes fuentes: digitalización, fotografías aéreas, imágenes de satélite, datos tabulares, etc… Son necesarias operaciones de cambio de sistemas de coordenadas y de proyección, cambio de resolución, generalización y agregación de la información, operaciones de extracción, recorte, máscara, unión y mosaico de diferentes ficheros…

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Un paso adelante sería la obtención de respuestas a una serie de consultas sobre los datos y su distribución en el espacio, las potencialidades en análisis de la información espacial como herramienta para inferir nueva información: calcular áreas, interpolar, determinar zonas de influencia y la capacidad de predecir: extraer patrones de comportamiento para predecir comportamientos futuros.

Más avanzado sería el uso de herramientas de análisis espacial y álgebra de mapas para el desarrollo y verificación de hipótesis acerca de la distribución espacial de las variables y objetos. _ ¿Disminuye la temperatura con la altitud? _ Los individuos de una determinada especie, ¿tienden a agruparse o permanecen aislados? _ ¿Cual es el tamaño mínimo de un área de bosque para mantener una población viable de osos? En algunos casos resulta necesaria la utilización de programas de análisis estadístico externos a los programas de SIG, debe buscarse entonces la mayor integración posible entre ambos tipos de programas en cuanto a tipos de datos manejados y compatibilidad de formatos de ficheros. A partir de los resultados de este tipo de análisis podemos, en algunos casos, generar nuevas capas de información. Por ejemplo, una vez determinada la relación entre tempertatura y altitud, puede generarse una capa de temperaturas a partir de una capa de elevaciones mediante técnicas de modelización cartográfica.

Un punto más allá de complejidad sería la utilización de un SIG para resolver problemas de toma de decisión en planificación física, ordenación territorial, estudios de impacto ambiental, etc. mediante el uso de instrucciones complejas del análisis espacial y álgebra de mapas. En definitiva se trataría de resolver preguntas del tipo: _ ¿Que actividad es la más adecuada para un area concreta? _ ¿Cual es el mejor lugar para la instalación de determinada actividad? _ ¿Cual va a ser el impacto sobre el medio? _ ¿Cual es la forma y tamaño adecuados de los espacios naturales?

Finalmente, las aplicaciones más elaboradas de los SIG son aquellas relacionadas con la integración de modelos matemáticos de procesos naturales, dinámicos y espacialmente distribuidos. El objetivo puede ser tanto científico como de planificación y ordenación. _ ¿Que áreas pueden inundarse en caso de producirse un episodio lluvioso dado? _ ¿Que consecuencias ambientales puede tener un embalse aguas abajo? _ ¿Cómo podría mejorarse la eficiencia en el uso del agua? En el modelado y simulación de procesos, los métodos estadísticos más utilizados son los modelos de regresión y modelos lineares generalizados para derivar relaciones matemáticas entre variables predictivas. Donde existe y por qué? Como es la distribución de la especie en relación con las características ambientales? Como ha cambiado la distribución con el tiempo? Como cambiará la distribución de la especie si cambian los factores de su entorno?

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El futuro desarrollo de los SIG se dirige hacia la “estadística geográfica”. Actualmente, todavía es necesario extraer la información a un formato manejable por programas de estadística tradicional (spss, sas, statistica, systat, R), en los que se genera el modelo y se vuelven a incluir los resultados en el SIG En estos casos los programas se utilizan tanto para introducir las capas de información inicial como para ver y analizar los resultados del modelo en su distribución espacial.

1.4 Aplicaciones de los SIG  Un Sistema de Información Geográfica es una herramienta que permite la integración de bases de datos espaciales y la implementación de diversas técnicas de análisis de datos. Por tanto cualquier actividad relacionada con el espacio, puede beneficiarse del trabajo con SIG. Entre las aplicaciones más usuales destacan: _ Científicas – Ciencias medioambientales y relacionadas con el espacio – Desarrollo de modelos empíricos – Modelización cartográfica – Modelos dinámicos – Teledetección _ Gestión – Cartografía automática – Información pública, catastro – Planificación física – Ordenación territorial – Planificación urbana – Estudios de impacto ambiental – Evaluación de recursos – Seguimiento de actuaciones _ Empresarial – Marketing – Estrategias de distribución – Planificación de transportes – Localización óptima

Cartografía automatizada

Las entidades públicas han implementado este componente de los SIG en la construcción y mantenimiento de planos digitales de cartografía. Dichos planos son luego puestos a disposición de las empresas a las que puedan resultar de utilidad estos productos. Las propias entidades se encargan posteriormente de proveer versiones actualizadas periódicamente.

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En infraestructuras

Algunos de los primeros sistemas SIG fueron utilizados por las empresas encargadas del desarrollo, mantenimiento y gestión de redes de electricidad, gas, agua, teléfonos, alcantarillados, etc., en estas los sistemas SIG almacenan información alfanumérica de servicios, que se encuentra relacionada a las distintas representaciones gráficas de los mismos. Estos sistemas almacenan información relativa a la conectividad de los elementos representados gráficamente, con el fin de permitir realizar análisis de redes.

La elaboración de mapas, así como la posibilidad de elaborar otro diferente tipo de consulta, ya sea gráfica o alfanumérica, son las funciones más comunes para estos sistemas, también son utilizados en trabajos de ingeniería, inventarios, planificación de redes, gestión de mantenimiento, etc.

Gestión territorial

Son aplicaciones SIG dirigidas a la gestión de entidades territoriales. Estas aplicaciones permiten un rápido acceso a la información gráfica y alfanumérica, y suministran herramientas para el análisis espacial de la información. Facilitan labores de mantenimiento de infraestructuras, mobiliario urbano, etc., y permiten realizar una optimización en los trabajos de mantenimiento de empresas de servicios. Tienen la facilidad de generar, documentos con información gráfica y alfanumérica.

Medio ambiente

Son aplicaciones implementadas por instituciones de medioambiente, 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 contaminantes, a fin de tomar las precauciones y medidas del caso. Facilitan una ayuda fundamental en trabajos tales como repoblaciones forestales, planificación de explotaciones agrícolas, estudios de representatividad caracterización de ecosistemas, estudios de fragmentación, estudios de especies, etc.

Equipamiento social

Son implementación de aplicaciones SIG dirigidas a la gestión de servicios de impacto social, tales como servicios sanitarios, centros escolares, hospitales, etc., suministran información sobre los centros ya existentes en una determinada zona y ayudan en la planificación en cuanto a la localización de nuevos centros. Un buen diseño y una buena implementación de estos SIG aumentan la productividad al optimizar recursos, ya que permiten asignar de forma adecuada y precisa los centros a los usuarios y cubrir de forma eficiente la totalidad de la zona de influencia.

Recursos mineros

El diseño de estos SIG facilitan el manejo de un gran volumen de información generado de varios años de explotación intensiva, suministrando funciones para la realización de análisis de elementos puntuales (sondeos o puntos topográficos), lineales (perfiles, tendido de electricidad), superficies

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(áreas de explotación) y volúmenes (capas geológicas). Facilitan herramientas de modelización de las capas o formaciones geológicas.

Tráfico

SIG utilizados para modelizar la conducta del tráfico determinando 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 puede existir un semáforo, se puede obtener información muy útil relacionada con análisis de redes.

Demografía

Se evidencian en este tipo de SIG un conjunto diverso de aplicaciones cuyo vínculo es la utilización de las variadas características demográficas, y en concreto su distribución espacial, para la toma de decisiones. Algunas de estas aplicaciones pueden ser: el análisis para la implantación de negocios o servicios públicos, zonificación electoral, etc.

El origen de los datos suele ser los censos poblacionales elaborados por algún entidad, este grupo de aplicaciones no obligan a una elevada precisión, y en general, manejan escalas pequeñas.

En el ámbito privado deberían tener más incidencia los SIG, aunque aún no es de este modo, ya que por el coste o la falta de información no es posible tener acceso a estas herramientas. Los SIG pueden y deberían ser empleados en:

GeoMarketing:

La base de datos empalmada a la información geográfica resulta indispensable para planificar una adecuada campaña de marketing o el envío de correo promocional, se podrían diseñar rutas óptimas a seguir por comerciales, etc.

Banca:

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

Servidores Cartográficos

Existen servidores cartográficos o de IDE’s (Infraestructura de Datos Espaciales) donde a través de navegadores es posible consultar la información espacial georreferenciada, incluyendo herramientas de búsqueda y consulta sencillas. Los más importantes:

-Instituto Geográfico Nacional (IGN): http://www.ign.es/ign/es/IGN/home.jsp:

-Centro Nacional de Información Geográfica (CNIG): http://www.cnig.es/

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-Infraestructura de Datos Espaciales de España (IDEE): http://www.idee.es/show.do?to=pideep_pidee.ES

- Servidores cartográficos autonómicos: http://sitar.aragon.es

- Ministerios: MARM: http://www.mapa.es/es/sig/sig1.htm#, http://www.mma.es/portal/secciones/biodiversidad/banco_datos/

 

1.5.­ Análisis en los SIG 

Las funciones de análisis tratan conjuntamente los datos cartográficos y sus atributos temáticos. Se identifican cuatro grupos de funciones:

Recuperación Superposición Vecindad Conectividad

Recuperación

Recuperación filtrada Consulta e interrogación de la base de datos Reclasificación Mediciones Estadística espacial

Superposición

Superposición geométrica Superposición lógica de atributos Superposición aritmética de atributos

Vecindad

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Conectividad

Contigüidad Proximidad Difusión espacial Análisis de redes

o Ruta óptima o Análisis de accesibilidad o Modelo de accesibilidad o Geocodificación de direcciones postales

2.‐ Información georreferenciada. Sistemas de coordenadas y de proyección   

Los Sistemas de Información Geográfica gestionan y analizan información espacial georreferenciada: conocemos la posición de un objeto en un sistema de referencia. Puede ser un sistema de coordenadas geográficas o un sistema proyectado de coordenadas. Una primera información derivada es la medición de superficies y distancias.

Todas las capas (“layers”) de informacion geográfica de una base de datos en un SIG deben estar en el mismo sistema de referencia.

“el mismo sistema de referencia” = tipo de proyección + Datum.

A la hora de representar la superficie terrestre hay que tener en cuenta varios factores:

Las dimensiones de la zona a representar son muy extensas o Solución: ESCALA

La superficie que queremos representar no es plana o Solución: PROYECCION

2.1.­ Escala  La relación existente entre las distancias medidas en un plano o mapa y las correspondientes en la realidad se denomina ESCALA. Por tanto, la escala es una proporción entre dos magnitudes lineales, independientemente del sistema de unidades de longitud que se utilice (figura 2.1). La escala puede expresarse de tres formas distintas: numérica, gráfica y textual o literal. Cualquiera de estas formas (o su combinación) es suficiente para conocer inequívocamente la relación entre las dimensiones reales y las medidas en el plano o mapa.

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Es la razón de semejanza entre la superficie real y la representación cartográfica. N: Denominador de la Escala Dr: Distancia Real Dm: Distancia en el mapa Una escala 1:50.000 nos indica que 1 centímetro medido en el mapa equivale a 50.000 cm de distancia real (500 metros)

Figura 2.1.- Reducción de escala en un mapa

Según la escala de trabajo, los mapas se clasifican en:

Mapas de pequeña escala: son los mapas que representan amplias zonas de la superficie terrestre, por lo que es imprescindible tener en cuenta la esfericidad de la Tierra. En estos mapas el nivel de detalle es pequeño. La escala es menor de 1:100.000 Mapas de gran escala: son los que representan pequeñas zonas de la Tierra. En estos mapas el detalle de los elementos cartografiados es mayor. Se suelen llamar mapas de gran escala aquéllos de escala mayor de 1:10.000.

Se denominan planos a partir de 1:2.000, al no considerar la esfericidad de la Tierra (figura 2.2).

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Figura 2.2.- Mapas de pequeña escala (poco detalle, grandes áreas con influencia de la esfericidad terrestre) y de gran escala (gran detalle, áreas pequeñas sin influencia de la esfericidad)

Las herramientas de zoom de cualquier SIG permiten un cambio en la escala de

representación en la pantalla o en una salida impresa, aunque este cambio de escala de representación no implica una cambio en la escala de los datos originales. En general podemos asumir que la escala de un SIG es la de los mapas que se han utilizado como información de entrada (en realidad la del mapa con escala inferior si se han utilizado varias). Sin embargo no toda la información de entrada procede de mapas (conjuntos de puntos de muestreo, imágenes de satélite, etc.). En SIG podemos sustituir el concepto de escala por otro concepto que es el de precisión espacial de los datos. En el caso del formato raster la precisión se relaciona claramente con el tamaño de las celdas. Si hacemos un zoom muy detallado aparecerán los bordes de éstas indicando que el nivel de zoom es excesivo para la escala de los datos, en el caso del formato vectorial no tenemos este mecanismo de advertencia y en muchos casos se fuerzan los zoom para obtener una precisión que no se corresponde con el detalle de la información. Se considera como precisión estándar de la cartografía el límite de percepción visual, que se define como 0.2 mm de distancia en el mapa (10 mts a escala 1:50.000) (figuras 2.3 y 2.4) El Area Mínima Cartografiable (AMC) sería un polígono de 4x4mm (200 metros de lado y con una superficie de 40.000m2 a escala 1:50.000)

 

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2.2.­ Proyección  La representación sobre un plano de un objeto como la Tierra reviste diversas dificultades:

Si se proyecta un objeto esférico sobre un plano es inevitable que se produzcan distorsiones (figura 2.5)

La Tierra no es un objeto esférico sino que su forma se aproxima a un elipsoide ligeramente achatado en los polos

En realidad la Tierra no es ni siquiera un elipsoide ya que incluye numerosas irregularidades, se habla por tanto de Geoide para hacer referencia a la Tierra como objeto geométrico (figura 2.6)

Figura 2.5.- Esfera terrestre y proyección

La razón de tener diferentes esferoides es que ninguno de ellos puede adaptarse completamente a todas las irregularidades del Geoide, pero cada uno de ellos se adapta razonablemente bien a una zona concreta de su superficie.

Figura 2.6.- Elipsoide y Geoide

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El conjunto de: 1. un elipsoide 2. un punto llamado "Fundamental"en el que el elipsoide y la tierra son tangentes 3. un azimuth o dirección de referencia que define el Norte 4. la distancia entre geoide y elipsoide en el origen define un datum que es el conjunto de parámetros necesario para representar una porción de la superficie terrestre como esferoide (figura 2.7). Establecer cual es el datum de un sistema de coordenadas es tarea de los servicios nacionales de geodesia. En España, el datum utilizado tradicionalmente en cartografía, tanto en los mapas del Servicio Geográfico del Ejercito (SGE) como en los del Instituto Geográfico Nacional (IGN), es el Europeo. Este puede ser el de 1950 si el mapa esta "formado"(información que se obtiene en la letra pequeña del margen del mapa) antes o durante 1979 o el europeo de 1979, si el mapa esta formado después de este año. Ambos datum tienen como elipsoide el de Hayford, también llamado Internacional de 1924, y como punto fundamental Postdam (Alemania).

Figura 2.7.- Para realizar los cálculos geodésicos, se elige un punto fundamental (DATUM), en el que la normal al geoide coincide con la normal al elipsoide. En este punto las dos superficies son tangentes. En cualquier otro punto, la normal al geoide y al elipsoide forman un ángulo denominado desviación relativa de la vertical.

El sistema de coordenadas natural de un esferoide es el de latitud y longitud que suele denominarse de coordenadas geográficas (figura 2.8). Para definir latitud y longitud, debemos

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identificar el eje de rotación terrestre. El plano perpendicular al eje de rotación que corta la tierra atravesándola por su centro define el Ecuador en su intersección con el esferoide. El resto de posibles planos perpendiculares definen los diferentes paralelos o lineas de latitud constante. Finalmente, los diferentes planos que cortan el esferoide siendo paralelos al eje de rotación y perpendiculares al Ecuador definen los meridianos o lineas de longitud constante. La longitud y latitud se miden en grados sexagesimales, aunque ha habido intentos por introducir sistemas diferentes

Figura 2.8.- Esfera terrestre y coordenadas geográficas

El proceso de transformar las coordenadas geográficas del esferoide a coordenadas planas para representarlo en dos dimensiones se conoce como proyección y es el campo de estudio tradicional de la ciencia cartográfica. La aparición de los SIG y la posibilidad de combinar información de diferentes mapas con diferentes proyecciones ha incrementado la relevancia de la cartografía. Básicamente, la proyección consiste en establecer una ecuación que a cada par de coordenadas geográficas le asigne un par de coordenadas planas. x = f(lat; long) y = f(lat; long)

Una proyección implica siempre una distorsión en la superficie representada, el objetivo de la cartografía es minimizar estas distorsiones utilizando la técnica de proyección más adecuada a cada caso. En función de las deformaciones que implica la proyección y las propiedades del elipsoide que pueden mantenerse, las proyecciones se clasifican en:

Conformidad. Si un mapa mantiene los ángulos que dos líneas forman en la superficie terrestre, se dice que la proyección es conforme. El requerimiento para que haya

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conformidad es que en el mapa los meridianos y los paralelos se corten en ángulo recto y que la escala sea la misma en todas las direcciones alrededor de un punto, sea el punto que sea.

Equivalencia, es la condición por la cual una superficie en el plano de proyección tiene la misma superficie que en la esfera. La equivalencia no es posible sin deformar considerablemente los ángulos originales. Por lo tanto, ninguna proyección puede ser equivalente y conforme a la vez.

Equidistancia, cuando una proyección mantiene las distancias reales entre dos puntos situados sobre la superficie del Globo (representada por el arco de Círculo Máximo que las une).

Otra forma de clasificar las proyecciones es con referencia a la figura geométrica que genera el plano bidimensional. Se habla entonces de proyecciones cilíndricas, cónicas y azimutales o planas (figura 2.9). En estos casos las distorsiones son nulas en la línea donde la figura corta al elipsoide y aumentan con la distancia a esta. Para minimizar el error medio suelen utilizarse planos secantes en lugar de planos tangentes. El resultado es un plano en el que la Tierra, o una parte de la Tierra se representan mediante un sistema de coordenadas cartesiano. El más conocido de todos y utilizado en España es la proyección UTM. Se trata de una proyección cilíndrica en la que la Tierra se divide en 60 husos con una anchura de 6 grados de longitud (figura 2.10). Las distorsiones son nulas en los lados y aumentan hacia el meridiano central (es por tanto una proyección secante), especialmente cuando se incremente la latitud. Por tanto la proyección UTM no debe usarse en latitudes altas y suele reemplazarse por proyecciones azimutales polares. El meridiano central tiene siempre un valor X= 500.000 metros y en el Ecuador Y=0 metros

Figura 2.9.- Tipos de proyección y figuras geométricas sobre las que se proyectan

 

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- La cartografía oficial o de referencia en España adopta el sistema UTM en los años 70 por parte de los dos organismos encargados de elaborar la cartrografía básica o de referencia: el Servicio Geográfico del Ejército y el Instituto Geográfico Nacional

El sistema de coordenadas es UTM y el sistema de proyección es el datum europeo 1950, elipsoide Hayford o Internacional 1924

Figura 2.11.- Husos UTM en la Península Ibérica

Por tanto, un SISTEMA DE REFERENCIA hace referencia a un conjunto de parámetros cuyos valores, una vez definidos, permiten la referenciación precisa de localizaciones en el espacio.

La cartografía oficial de España puede estar representada en la actualidad mediante dos sistemas de referencia, ambos utilizando como sistema de coordenadas la proyección UTM pero con distintos Datum o parámetros en su proyección:

A) SISTEMA DE REFERENCIA ED-50

Sistema establecido como reglamentario en el Decreto 2303/1970. El ED50 es un sistema de referencia local basado en el elipsoide internacional de Hayford de 1924. El sistema de representación plano es la proyección conforme Transversa de Mercator (UTM)

Se compone de los siguientes parámetros:

Datum o Punto fundamental: Torre de Helmert (Potsdam).

Elipsoide Internacional Hayford: elipsoide de revolución definido por: Semieje mayor (a) = 6 378 388 m

Semieje menor (b) = 6.366.992 m

 

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25  

Teniendo en cuenta que todas las capas de nuestra base de datos espacial deben estar en el mismo sistema de proyección, será necesario en muchos casos efectuar un cambio del sistema de referencia ed-50 <–> etrs89, para lo cual es necesario saber todos los parámetros de la proyección:

SISTEMA DE REFERENCIA ED-50:

• DATUM EUROPEO 1950

• ELIPSOIDE HAYFORD O INTERNACIONAL 1924

SISTEMA DE REFERENCIA ETRS89

• DATUM ETRS89

• ELIPSOIDE: GRS80 ≈ WGS84

SISTEMA DE REFERENCIA WGS84 (coordenadas tomadas por defecto por GPS)

• DATUM WGS84

• ELIPSOIDE: GRS80 ≈ ETRS89

• El elipsoide es el mismo que para el datum WGS84.

Esta operación de “reproyectar” nuestros mapas será también necesaria si están en el mismo sistema de referencia pero en husos distintos (los SIG no pueden superponer mapas en husos UTM distintos)

3.‐ Modelos de datos: vectoriales y raster. Ventajas e inconvenientes, diferentes aplicaciones. 

La representación de los datos Los datos espaciales y georreferenciados representan variables del mundo real (carreteras, el uso del suelo, altitudes) utilizando una escala de reducción y un sistema de referencia. Los objetos del mundo real se pueden dividir en dos abstracciones: objetos discretos (localización de una casa, representación de una masa forestal) y continuos (cantidad de lluvia caída, mapa de elevaciones). Existen dos formas de almacenar los datos en un SIG: raster y vectorial. Los SIG que se centran en el manejo de datos en formato vectorial son más populares en el mercado. No obstante, los SIG raster son muy utilizados en estudios que requieran la generación de capas continuas, necesarias en fenómenos no discretos; también en estudios medioambientales donde no se requiere una excesiva precisión espacial (contaminación atmosférica, distribución de temperaturas, localización de especies marinas, análisis geológicos, etc.).

26  

3.1.­ Modelo de datos Raster  Un tipo de datos raster es, en esencia, cualquier tipo de imagen digital representada en mallas (figura 3.1). El modelo de SIG raster o de retícula se centra en las propiedades del espacio más que en la precisión de la localización. Divide el espacio en celdas regulares donde cada una de ellas representa un único valor. Los datos raster se compone de filas y columnas de celdas, cada celda almacena un valor único (figura 3.2). Los datos raster pueden ser imágenes, con un valor de color en cada celda (o píxel). Otros valores registrados para cada celda puede ser un valor discreto, como el uso del suelo, valores continuos, como temperaturas, o un valor nulo si no se dispone de datos. Si bien una trama de celdas almacena un valor único, estas pueden ampliarse mediante el uso de las bandas del raster para representar los colores RGB (rojo, verde, azul), o una tabla extendida de atributos con una fila para cada valor único de células. La resolución del conjunto de datos raster es el ancho de la celda en unidades sobre el terreno (figura 3.3). Los datos raster se almacenan en diferentes formatos, desde un archivo estándar basado en la estructura de TIFF, JPEG, etc. a grandes objetos binarios (BLOB), los datos almacenados directamente en Sistema de gestión de base de datos. El almacenamiento en bases de datos, cuando se indexan, por lo general permiten una rápida recuperación de los datos raster, pero a costa de requerir el almacenamiento de millones registros con un importante tamaño de memoria. 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.

Figura 3.1.- Codificación de una representación del terreno en modo raster

 

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3.1.1.­ Existen diversas clasificaciones de los datos raster:   A) Según el valor del píxel:

Continuos: se refiere a datos que se encuentran distribuidos de forma continúa como su nombre indica en cualquier lugar de la superficie terrestre (por ejemplo: temperatura, precipitación, altitud, presión atmosférica, etc.) y por tanto cualquier pixel tendrá un valor de dicha variable (figura 3.4).

Figura 3.4.- Mapa raster de variable de datos contínuos (cuantitativa)

Discretos o temáticos: por otro lado tenemos los raster discretos que proceden de una

esquematización o discretización del fenómeno estudiado de acuerdo a un criterio, o se trata de representaciones de fenómenos cuyos límites quedan perfectamente establecidos (como es el caso de un raster de usos del suelo, tipología de suelos, etc.) (figura 3.5). El proceso de discretización de una variable continua pasa por la agrupación de los píxeles que componen el raster en determinadas unidades y la posterior asignación de un valor común a todos los píxeles que componen cada clase o intervalo, lo que se ha venido a denominar RECLASIFICACIÓN de un raster continuo para la obtención del un raster discreto.

Figura 3.5.- Codificación de una variable cualitativa en formato raster

29  

B) Según el número de bandas o variables almacenadas en el raster:

A pesar de que la mayor parte de los datos raster suelen ser monobanda (una única variable representada) como es el caso de un MDE (Modelo Digital de Elevaciones), dado que no es posible la representación de múltiples variables en un solo raster nos vemos en la obligación de usar los denominados raster multibanda que pueden tener distinta significación según el contexto en el que se usen. Así tenemos por un lado los raster multiespectrales basados en la discriminación de las distintas zonas del espectro electromagnético (imágenes de satélite) o los raster múltiples que pueden formar parte de una agrupación posterior mediante la aplicación de cualquier análisis de Evaluación Multicriterio, pudiendo tener una imagen raster que almacene cada una de las variables para su posterior agrupación (Álgebra de Mapas) (figura 3.6).

Figura 3.6.- El Espectro Electromagnético y las imágenes multiespectrales, Imágenes multibanda y

Fotografías aéreas (RGB)

C) Según el tipo de datos almacenado y la fuente de procedencia: Siguiendo este criterio podemos diferenciar temáticamente los raster de acuerdo a la fuente de información utilizada:

Imágenes de Satélite o Raster espectrales (incluye fotografía aérea). Se trata una de las tipologías de datos raster con mayor antigüedad dentro del campo de los SIG, y su representación se limita a la variación de la reflectancia de la superficie terrestre como respuesta al flujo energético proporcionado por la principal fuente energética, el Sol, aunque también existen fuentes secundarias y artificiales ante las que se produce una reacción de la superficie terrestre y que posteriormente es grabada a bordo de los sensores

30  

aerotransportados (cámaras métricas o digitales en avión, o sensores aerotransportados a bordo de satélites). Esta recepción de la señal no se limita a la porción visible del espectro electromagnético, sino que también podemos disponer de raster que contemplan otras longitudes de onda y porciones de dicho Espectro ElectroMagnético (EEM), como son el radar o las bandas térmicas. Dentro del rango del EEM de la porción visible tenemos como ejemplo las fotografías aéreas y ortofotografías.

Modelos Digitales del Terreno. Raster cuya característica principal es la representación de un fenómeno continuo sobre la superficie terrestre mediante una malla de píxeles que se componen de una componente espacial (tamaño del pixel y localización del mismo en coordenadas XY), y componente temática o de atributos (el valor de la variable almacenada). A partir de este tipo de datos raster podremos derivar otro tipo de información mediante la aplicación de las funciones de análisis espacial.

Raster temáticos. Proceden de la agrupación temática de los datos continuos de acuerdo a un criterio preestablecido.

Fotografía convencional (podría incluirse dentro del primer grupo). Actualmente hay disponibles varias fuentes de ortofotos (fotografía aérea ortorectificada, en blanco y negro y en color), georreferenciadas y con alta resolución (1 m-0.5 m), desde 1998 que permiten digitalizar y obtener información ambiental (ortofotos del sig oleícola, ortofotos del SIGPAC, ortofotos PNOA)

Datos Lidar (Light Detection and Ranging). El sistema Lidar emite pulsaciones de luz que reflejan en el terreno o cualquier objeto en altura y la pulsación de regreso se convierte de fotones a impulsos eléctricos. La resolución de los datos posicionales (x, y) puede llegar a precisiones de 1 metro en la horizontal y 15 cm en altura, y las posibilidades que brinda permiten realizar mediciones en condiciones climatológicas y de iluminación que no serían factibles mediante la recolección de fotografías aéreas, posibilitando también la obtención de un modelo digital de Superficie incluyendo elementos ambientales y antrópicos (masas forestales, lechos fluviales, edificaciones, etc.)

3.1.2.­ Fuentes de origen de datos Raster.  Son múltiples las fuentes de datos susceptibles almacenarse mediante un modelo de datos raster. A continuación mencionaremos algunas de las fuentes principales que participan en la obtención de datos raster finales o secundarios que participarán posteriormente en la elaboración de nuevos datos, bien sean en formato raster o vectorial. A.- Fuentes no digitales:

• Digitalización o escaneo de cartografía en papel • Entrada de datos de campo provenientes de GPS • Entrada manual de coordenadas

- Imágenes escaneadas mediante escáner de sobremesa o fotogramétrico (figura 3.7). Se trata de uno de los procesos más generalizados de conversión de información analógica o en papel a formato digital raster. En la mayoría de los casos se trata de escáneres de sobremesa, mientras que

31  

los escáneres fotogramétricos se usan para escanear los fotogramas obtenidos tras el vuelo fotogramétrico obteniendo así las imágenes digitales que posteriormente se podrán utilizar para cualquier proceso relacionado con los GIS (entrada de datos, análisis, y extracción de información mediante digitalización, entre otros), o se aerotriangularán y georreferenciarán respecto a otros fotogramas. Entre los datos obtenidos mediante esta técnica tenemos Modelos Digitales de Elevaciones y Ortofotografías Aéreas.

Fig. 3.7.-. Escáner Fotogramétrico y de sobremesa.

B.- Fuentes digitales

• Teledetección (fotografía aérea, imagen de satélite, radar) • Importación desde otros sistemas • Generadas por el propio SIG

- Imágenes de Satélite o fotografía aérea (cámaras métricas o digitales). La teledetección u obtención de información acerca de la superficie terrestre sin estar en contacto con ella. Para ello se detecta y graba la energía emitida o reflejada en sensores aerotransportados para posteriormente enviarlas a centros de tratamiento específicos para su uso final dentro de las aplicaciones SIG. Este proceso conlleva la integración de varios elementos entre los que destacan:

Fuente de Energía. Atmósfera. El objeto que interactúa con dicha radiación. El sensor (que puede ser elemento activo o pasivo).

Como resultado de dicha interacción entre cualquier objeto de la superficie terrestre y la radiación que lleva a éstos (modificada en gran medida por la componente atmosférica) el sensor grabará la información detectada y la almacenará para su posterior tratamiento y difusión mediante imágenes multiespectrales o hiperespectrales, según el sensor utilizado. Dichas imágenes podrán ser analizadas para extraer información derivada mediante análisis visual (análisis de textura, tonos, etc.) o digital (análisis de componentes principales, índices de vegetación, clasificaciones o reconocimiento de patrones, etc.)

 

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Figura 3.10.- Lista de coordenadas de los vértices en una representación de un elemento líneal (digitalización

sobre un fuente de información raster –ortofoto aérea-)

En un SIG, las características geográficas se expresan con frecuencia como vectores, manteniendo las características geométricas de las figuras. En los datos vectoriales, el interés de las representaciones se centra en la precisión de localización de los elementos geográficos sobre el espacio y donde los fenómenos a representar son discretos, es decir, de límites definidos. Cada una de estas geometrías está vinculada a una fila en una base de datos que describe sus atributos. Por ejemplo, una base de datos que contenga los términos municipales puede contener datos sobre distintos censos de población (figura 3.11).

34  

Figura 3.11.- Capa vectorial de polígonos (municipios) enlazada a una base de datos (información censal)

Esta información puede ser utilizada para crear un mapa que describa un atributo particular contenido en la base de datos. Los municipios pueden tener un rango de colores en función del tamaño de la población. Los datos vectoriales se pueden utilizar para representar variaciones continuas de fenómenos por medio de isolíneas. Para modelar digitalmente las entidades del mundo real se utilizan tres elementos geométricos: 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. � 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

 

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Figura 3.15.- Ejemplos de rasterización de elementos puntuales, lineales y polígonos

- Rasterización de datos vectoriales. Es el proceso consiste en leer las coordenadas vectoriales que delimitan los objetos puntuales, lineales o poligonales y determinar si en cada píxel del mapa raster se sitúan o no, los objetos vectoriales. Este proceso se lleva a cabo superponiendo una maya o tesela sobre los datos vectoriales.

3.5.­ Análisis vectorial  Las principales herramientas se denominan, en general en la mayoría de los software de SIG, “Operaciones de geoprocesamiento”: Pueden ser relaciones entre mapas, relaciones entre tablas (figura 3.16), cálculo de nuevas variables por análisis de la tabla temática asociada (mapa de densidad relacionando nº de habitantes y superficie) o creación de nuevos elementos a partir de los ya existentes

40  

Figura 3.16.- Operaciones de “join” entre tablas en un sig vectorial (ArcGis)

Análisis de solape: Geoprocesos que extraen nueva información basándose en la superposición de dos capas.

CLIP

Se crea un nuevo tema utilizando un tema de polígono como delimitador del recorte sobre un tema de elementos puntuales, lineales o polígonos. El tema resultante sólo contendrá los datos del tema que está recortando. El tema utilizado como delimitador únicamente sirve para definir los límites del recorte. Puede utilizarse los límites de un área de estudio para recortar un tema que abarque un área mucho mayor.

 

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pueden ser: determinar la zona de cobertura de

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44  

Análisis de agregación: Geoprocesos que transforman datos de entrada, de mayor detalle, en datos resumidos.

Disolver: la geometría de la capa de entrada

debe ser de polígonos: fusionará polígonos

adyacentes que tengan un mismo atributo en un

solo polígono

3.6.­ Funciones de análisis raster  Los SIG nos permiten abordar múltiples funciones de análisis sobre datos raster en base a la teselación y ordenación de los píxeles de los mismos. Se pueden distinguir: Funciones u Operadores Locales: en este tipo de funciones la manipulación del raster se realiza pixel a pixel, obteniendo el resultado en función del valor de dicha localización, pudiendo tener en cuenta una o varias capas o bandas (figura 3.17). Entre las operaciones que podemos realizar tenemos las operaciones aritméticas entre raster, operaciones de reclasificación, superposiciones, enmáscarado, etc. (Álgebra de Mapas).

Figura 3.17.- Tipología de Análsis y Funciones Locales

45  

Funciones u Operadores Focales: o de vecindad, ya que con ellas obtendremos para cada pixel un valor en función de los valores almacenados en dichos píxeles y en los vecinos o aledaños al mismo. Para este tipo de análisis usamos lo que se denomina una matriz de recorrido que puede estar compuesta por los píxeles más próximos (operadores de vecindad inmediata), o más alejados al pixel analizado (operadores de vecindad extendida) y el rango de la matriz será algo que debamos determinar nosotros, aunque por defecto se suele utilizar una matriz de 3x3 píxeles (figura 3.18). Como ejemplos de este tipo de funciones tenemos la obtención de estadísticas respecto a los píxeles vecinos, aplicación de filtros sobre imágenes (mediana, moda, detección de bordes, etc.) así como el cálculo de parámetros como la pendiente, orientación, sombreado, a partir de un MDE. Para el caso de las operaciones de vecindad extendida, tendremos en cuenta un mayor número de píxeles contiguos como es el caso del análisis de visibilidad o distancia en línea recta o de costo.

Figura 3.18.- Tipología de Análisis y Funciones Focales

Funciones u Operadores Zonales: en este tipo de operaciones el valor del pixel en una capa resultante del análisis dependerá del valor del pixel en la capa de origen, así como el valor de los píxeles pertenecientes a la misma zona, pudiendo estar determinada dicha zona por un polígono u otro raster discreto o temático (por ejemplo un mapa de usos del suelo) (figura 3.19). A partir de este tipo de operadores podemos obtener por ejemplo las medidas estadísticas para una zona concreta a partir de un raster con una determinada variable (pongamos el caso de la obtención de los parámetros estadísticos – media, máximo, mínimo – de pendientes para un determinado uso – olivar).

Figura 3.19.- Tipología de Análsis y Funciones Zonales

46  

Funciones u Operadores Globales: por último tenemos las operaciones de ámbito global que tendrán en cuenta la totalidad de los píxeles de la imagen o raster, y entre éstas se encuadran los métodos de interpolación (figura 3.20).

Figura 3.20.- Tipología de Análisis y Funciones Globales

Otras operaciones de análisis raster

- Mediciones de distancia tanto en línea recta (euclidiana) como ponderada por el coste. - Obtención de mapas de densidad, a partir de datos puntuales o lineales. - Interpolación a raster a partir de muestras, utilizando métodos tanto determinísticos como geoestadísticos. - Extracción de parámetros morfométricos a partir de un Modelo Digital del Terreno. - Operaciones de reclasificación y conversiones entre Raster y Vectorial en ambos sentidos. - Análisis Hidrológicos y otros análisis aplicados.

La calculadora raster se trata de una potente herramienta de análisis que nos provee de una funcionalidad que va desde operadores y funciones básicos (operadores aritméticos), hasta operadores más avanzados como son operadores booleanos o logarítmicos, pasando por un amplio rango de funciones predefinidas (análisis de distancia, mosaicos, cambios de resolución, sustitución de celdas, etc.) Dicha herramienta está basada en las operaciones de álgebra de mapas, definidas como las operaciones algebraicas que se realizan sobre capas de tipo raster aplicables no solo a cada pixel dentro de la capa raster sino también a los píxeles vecinos o a todo el conjunto de píxeles.

Los SIG actualmente disponibles incorporan herramientas para modelizar y automatizar procesos, lo que algunos programas llaman “MODEL BUILDER” (ArcGis): mediante lenguaje de programación o por un entorno gráfico se establece un diagrama de geoprocesamiento donde se organiza el flujo de trabajo del proyecto: diagrama de Gantt (figura 3.21)

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Figura 3.21.- Diagrama de Model Builder o editor de Modelos

4.‐ Los modelos digitales del terreno 

El ejemplo más destacable de información ambiental en formato raster es el del Modelo Digital del Terreno que viene a representar la variación continua de una variable que se presenta en la superficie terrestre mediante una malla teselar con coordenadas XY y la representación de una tercera variable de acuerdo al fenómeno analizado. Los modelos digitales del terreno son aplicables no solo a la variable elevación, sino a cualquier otra variable que presente una variación continua sobre el espacio (precipitaciones, presión atmosférica, temperaturas, pendientes, etc.) (figura 4.1)

Figura 4.1.- Modelo Digital del Terreno (Representación de un MDE)de la hoja de Jaca (177)

- La construcción de un MDE matricial a partir de la información contenida en el vectorial es básicamente un problema de interpolación: se definen las localizaciones de los puntos problema

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(en las intersecciones de las filas y columnas) y se estima la altitud de cada uno de ellos en función de los datos del entorno existentes en el modelo vectorial (figura 4.2).

Figura 4.2.- Obtención de Modelo Digital del Terreno a partir de información puntual

Elementos importantes para elaborar un MDE a partir de información vectorial:

– Curvas de nivel: isólineas de igual altura. El tamaño de píxel del MDT que generemos será dos veces el intervalo entre curvas (20 metros para unas isólineas con intervalo de alturas de 10 m)

– Puntos acotados singulares: cumbres de picos, collados, fondos de despresiones, etc.

– Líneas de ruptura (breaklines), que definen la posición de elementos lineales sin valores de altitud explícitos que rompen la continuidad de la superficie.

– Zonas de altitud constante: polígonos que encierran una superficie de altitud única, por ejemplo, lagos.

– Líneas que definen los límites externos del MDT o zonas donde no se desea tener información, por ejemplo, zonas innivadas o anegadas.

Los modelos digitales del terreno contienen información de dos tipos diferentes:

· información explícita, recogida en los datos concretos del atributo del modelo, como la altitud en el caso del MDE

· información implícita, relativa a las relaciones espaciales entre los datos, como la distancia o la vecindad (figura 4.3)

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4.1.­ Cálculo de variables topográficas: información derivada del MDE mediante análisis focal  Los Modelos Digitales de Elevación son la fuente principal de información para casi todos los estudios que conlleven un análisis del medio físico de la zona de estudio, tales como análisis hidrológicos, estudios de inundabilidad, análisis de distribución de especies, relacionado con la compartimentación altitudinal del territorio, así como estudios de riesgos (por ejemplo, estudios de riesgos relacionados con la morfodinámica de laderas). Las herramientas están incluídas en todos los software de SIG y utilizan operaciones de análisis zonal (figura 4.3)

Figura 4.3.- Cálculo de pendientes y orientaciones con operadores de vecindad a partir de un MDT

* La pendiente

La pendiente en un punto del terreno se obtiene como el cálculo de la máxima tasa de cambio en elevación entre cada celda y sus 8 celdas vecinas. Para ello se hace uso de un filtro o Kernel que va recorriendo el raster para obtener el valor de pendiente del pixel respecto a sus vecinos (usando un filtro de 3x3 píxeles por defecto) (figura 4.4)

Figura 4.4.- Representación de la pendiente en grados y porcentaje

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* La orientación

La orientación en un punto puede definirse la dirección de la pendiente. Identifica la dirección de la máxima pendiente en cada píxel (figura 4.5). Como en el caso de la pendiente, el valor de orientación se estima directamente a partir del MDE.

Figura 4.5.- Representación de la orientación en un SIG

El valor de cada celda indica la dirección (en grados de 0-360 en el sentido de las agujas del reloj desde el norte) hacia la que la pendiente de la celda se orienta.

* La curvatura

La curvatura en un punto puede definirse como la tasa de cambio en la pendiente y depende, por tanto, de las derivadas de segundo grado de la altitud — es decir, de los cambios de pendiente positivos o negativos en el entorno del punto— .

La curvatura tiene especial interés como variable influyente en fenómenos como la escorrentía superficial, canalización de aludes, erosión y flujos en general (figura 4.6).

Figura 4.6.- Curvatura local del terreno a partir del Modelo Digital de Elevaciones

Podemos obtener tres tipos de información mediante el cálculo de la curvatura:

La curvatura local del terreno en la dirección de la pendiente (figura 4.7). Esta curvatura expresa la relativa aceleración o deceleración local del flujo. Su cálculo se define por las

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derivadas parciales de la altura (z) con respecto a las direcciones x e y calculadas en un kernel móvil de 3x3 sobre el MDE:

La curvatura del terreno en la dirección de la orientación (ortogonal a la curvatura local) (figura 4.8). Esta curvatura es expresión de la convergencia o divergencia del flujo.

El modelo TI (Indice topográfico) viene dada por la conocida expresión (Beven y Kirkby, 1979)

TI=ln(CA/tg(β )

donde CA es el área de contribución para el punto de cálculo y tg(β) es la pendiente local del terreno. Este modelo expresa parcialmente el volumen relativo y la cantidad de movimiento del flujo que pasará por cada punto del terreno (figura 4.8).

Figura 4.7.- La curvatura local del terreno en la dirección de la pendiente

Figura 4.8.- La curvatura del terreno en la dirección de la orientación (ortogonal a la curvatura local).

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Figura 4.9.- Indice topográfico

Dirección de flujo Representa la dirección hacia la que drenaría un volumen de agua situado sobre una celdilla. Puesto que toda celdilla está rodeada por otras 8, puede tomar 8 valores diferentes. Se calcula directamente a partir de los valores del Modelo Digital de Elevaciones y es la base de los cálculos anteriores

Modelos Hidrológicos

* Las características topográficas de una ladera determinan las pautas por las cuales el agua circula sobre ella. El modelo digital de elevaciones contiene información suficiente para definir, al menos en una primera aproximación, las propiedades de la red de drenaje superficial y, por extensión, de la cuenca hidrológica.

* Se denomina línea de flujo al trayecto que, a partir de un punto inicial, seguiría la escorrentía superficial sobre el terreno. Las líneas de flujo siguen la línea de máxima pendiente por lo que puede deducirse del modelo digital de pendientes con las únicas limitaciones que las derivadas de la calidad del MDE original (figura 4.10). A partir del trazado de las líneas de flujo es posible definir la red hidrológica, el área subsidiaria de una celda y, por extensión, las cuencas Hidrológicas.

Figura 4.10- Cálculo de la dirección de flujo a partir de operadores de vecindad

Se define el área subsidiaria de una celda como el conjunto de celdas cuyas líneas de flujo convergen en ella; una cuenca hidrológica está formada por el área subsidiaria de una celda singular, que actúa como sumidero (figura 4.11). La magnitud del área subsidiaria de una celda del

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MDE está directamente relacionada con el caudal máximo potencial, CMP, en el mismo. En efecto, el caudal que puede circular en un momento dado en un punto del terreno depende, entre otros factores, de la magnitud del área subsidiaria, de las precipitaciones sobre ella y de la pendiente de la zona, que permite la circulación con menor o mayor rapidez. En función de estos parámetros es posible simular el CMP en un modelo digital del terreno.

Figura 4.11.- Cálculo de cuenca hidrográfica a partir del MDE y mapa de direcciones de flujo

 5.‐ Principales SIG: comerciales y libres  

La característica principal a tener en cuenta a la hora de decidirse por un sw de SIG es, además del Sistema Operativo (Mac, Linux o Windows) con el que se trabaja, la posibilidad de que sea comercial o libre. Al final, hay que tener en cuenta las posibilidades de análisis en los formatos o modelos de datos que queramos o tengamos que trabajar: capacidad de almacenamiento y gestión de grandes bases de datos, generación de cartografía automática, digitalización son capacidades propias de un software de SIG vectorial. Análisis espacial, interpolación, modelización, Evaluación Multicriterio, análisis de imágenes (clasificación, georreferenciación,) son potencialidades propias de Software de SIG ráster. La mayoría de programas manejan ambos formatos pero cada uno de ellos tiene unas capacidades de análisis máxima para cada modelo de información. En función de los objetivos del trabajo, se determinará el modelo de representación de los datos geográficos a utilizar, teniendo en cuenta sus potencialidades y ventajas:

Modelo vectorial:

o Inventario y bases de datos

o Variables cualitativas, clases bien definidas

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Modelo raster:

o Análisis espacial

o Representación de variables contínuas

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Tabla 3.- Comparativa de los principales Sistemas de Información Geográfica (actualizado a junio 2009). El color azul indica enlace a una entrada en Wikipedia. El color rojo indica que no hay entrada para ese software en Wikipedia

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Fuente: wikipedia (http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_Informaci%C3%B3n_Geogr%C3%A1fica#cite_ref-8)

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Dentro de los SIG comerciales, el más conocido es ArcGis, de la empresa ESRI. Se estructura por módulos o extensiones con distintas capacidades de análisis, siendo el programa básico (sin extensiones) fundamentalmente vectorial. Incorpora un módulo de organización de la información (ArcCatalog) y nuevo modelo de datos, la geodatabase, basado en un modelo de datos relacional que en la versión desktop y personal se estructura como una base de datos Access. El módulo ArcMap incorpora las herramientas de edición, visualización, preparación de salidas cartográficas y análisis

En la versión ArcGis 9.3 que está actualmente en el mercado se pueden elegir hasta 10 extensiones no incorporadas por defecto sino que hay que adquirir en función de nuestras necesidades de trabajo, con distintas funcionalidades:

Funciones de Análisis: añaden 200 herramientas de análisis raster y vectorial

3d Analyst

Spatial Analyst

Geostatistical Analyst

Network Analyst

ArcGis Schematics

Tracking Analyst

Funciones de edición e integración de formatos

Data Interoperability

ArcScan for ArcGis

Survey Analyst

Funciones de Publicación

ArcGis Publisher

Funciones de cartografía avanzada

Maplex for ArcGis

Incorpora también la posibilidad de añadir servicios OGC (Open Gis Consortium): WMS (Web Map Service), WFS (Web Feature Service), WCS (Web Coverage Service), Servicio de Catálogo y Servicio de Nomenclátor (figura 5.1).

 

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Figura 5.3.- Menú y herramientas de análisis que incorpora la extensión Spatial Analyst (ArcGis 9.3)

Otros programa muy extendido por su relación calidad- precio es Idrisi (de la Universidad de Clark), fundamentalmente raster. Necesita para labores de digitalización y elaboración de topología de elementos vectoriales del programa Cartalinx. Incorpora algoritmos de análisis de paisaje y estudios de biodiversidad.

GRASS: (acrónimo inglés de Geographic Resources Analysis Support System) es un software SIG (Sistema de Información Geográfica) bajo licencia GPL (software libre). Puede soportar información tanto raster como vectorial y posee herramientas de procesado digital de imágenes.

SAGA (acrónimo inglés de System for Automated Geoscientific Analyses o Sistema para Análisis Automatizados Geocientíficos en español) es un software híbrido de información geográfica.

El primer objetivo de SAGA es dar una plataforma eficaz y fácil para la puesta en práctica de métodos geocientíficos mediante su interfaz de programación (API). El segundo es hacer

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estos métodos accesibles de una manera fácil. Esto se consigue principalmente mediante su interfaz gráfica de usuario (GUI). Juntos, API Y GUI son el verdadero potencial de SAGA: un sistema cada vez mayor y rápido de métodos geocientíficos con gran importancia de análisis hidrológico y topográfico.

El Sistema EXTremeño de ANálisis TErritorial (SEXTANTE) es una biblioteca de algoritmos de análisis espacial de código libre disponible para varios softwares de Sistemas de Información Geográfica. Su objetivo principal es crear una plataforma que facilite tanto el uso como la implementación de estos algoritmos.

Actualmente SEXTANTE contiene más de 240 herramientas de análisis geográfico.

En un principio SEXTANTE estaba basado en el SIG SAGA, para posteriormente pasarse a gvSIG. Inicialmente se centraba principalmente en el modelado y análisis de la información mediante imágenes ráster aunque en la actualidad son más de 240 extensiones tanto raster como vectorial.

Tras el desarrollo de una gran colección de algoritmos de análisis geoespacial desarrollados para gvSIG, los desarrolladores entendieron que muchos otros proyectos requerían de análisis geoespacial, pero no existía una biblioteca que pudiera proporcionarles los algoritmos correspondientes. Ante este hecho, en el año 2008 tomaron la decisión de independizar SEXTANTE de cualquier software SIG, creando una biblioteca de tal manera que otros programas diferentes de procesamiento de información geográfica pudieran hacer uso de sus algoritmos de forma igual de sencilla que se venía haciendo hasta ahora.

SEXTANTE está programado en Java desarrollado por la Universidad de Extremadura (UNEX) y financiado por la Junta de Extremadura que se distribuye bajo la licencia GPL cumpliendo con los cuatro principios necesario para clasificarlo como software libre.

Algunas de sus utilidades son:

Análisis de patrones. Análisis hidrológico básico. Costes, distancias y rutas. Estadísticas de celda para múltiples capas raster. Estadísticas por vecindad para una capa raster. Geoestadística. Geomorfometría y análisis del relieve. Herramientas básicas para capas raster. Herramientas de análisis para capas raster. Herramientas de cálculo para capas raster. Herramientas para capas de líneas. Herramientas para capas de puntos. Herramientas para capas de polígonos. Herramientas para capas raster categóricas. Herramientas para capas discretas e información categórica. Herramientas para capas vectoriales. Herramientas para crear nuevas capas raster.

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Herramientas para tablas. Iluminación y visibilidad. Localización óptima de elementos. Lógica difusa. Métodos estadísticos. Perfiles. Rasterización e interpolación. Tratamiento y análisis de imágenes. Vectorización. Zonas de influencia (buffers). Índices de vegetación. Índices y otros parámetros hidrológicos.

SEXTANTE además cuenta con una línea de comandos, un gestor de procesado por lotes, un generador de modelos y un historial de comandos realizados por el usuario con el fin de facilitar la reiteración de procesos.

Actualmente existen adaptaciones de la biblioteca para Geotools, gvSIG y OpenJUMP, y están en desarrollo las versiones para Kosmo

gvSIG es un programa informático para el manejo de información geográfica con precisión cartográfica que se distribuye bajo licencia GNU GPL. Permite acceder a información vectorial y raster así como a servidores de mapas que cumplan la especificaciones del OGC. Esta es una de las principales características de gvSIG respecto a otros Sistema de Información Geográfica, la importante implementación de servicios OGC: WMS (Web Map Service), WFS (Web Feature Service), WCS (Web Coverage Service), Servicio de Catálogo y Servicio de Nomenclátor.

Está desarrollado en lenguaje de programación Java, funcionando con los sistemas operativos Microsoft Windows, Linux y Mac OS X, y utiliza librerías estándar de GIS reconocidas, como Java Topology Suite (JTS). Asimismo, gvSIG posee un lenguaje de scripting basado en Jython y también se pueden crear extensiones en Java utilizando las clases de gvSIG.

Entre los formatos gráficos de fichero más habituales cuenta entre otros con acceso a formatos vectoriales GML, SHP, DXF, DWG, DGN, KML y formatos de imagen raster como MrSID GeoTIFF, ENVI o ECW.

Iniciado en el año 2003, es un proyecto de desarrollo informático cofinanciado por la Consejería de Infraestructuras y Transporte de la Generalidad Valenciana y la Unión Europea mediante el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) y codesarrollado por la empresa IVER y Prodevelop.