Introduccion a los SIG

Introducción a los sistemas de información geográfica. Evolución histórica.

Los Sistemas de Información Geográfica (SIG) son el resultado de la aplicación de las llamadas Tecnologías de la Información (TI) a la gestión de la Información Geográfica (IG).

En un primer momento, en los años 60, la Informática se utilizó para la producción de mapas, dando lugar a la Cartografía Asistida por Ordenador. Las técnicas se habían modernizado y automatizado en parte para producir el producto clásico, el mapa en papel. El SYMAP (Symagraphic Mapping Technique) de la Universidad de Harvard (USA), aparecido en 1964 fue la aplicación pionera; se trataba de un conjunto de programas capaz de producir mapas por impresora superponiendo los caracteres habituales.

El siguiente paso fue aplicar las posibilidades de los métodos automatizados a interpretar y consultar la información representada en el mapa, así nacieron los SIG. El CGIS (Canadian GIS), esencialmente dedicado a gestión forestal, concebido y desarrollado por Tomlinson a
partir de 1964, parece haber sido el primer SIG y, durante bastantes años ha sido el más voluminoso por el área cubierta y el número de capas gestionadas.

Durante los años 70 y 80 se produjo la explosión de los SIG, con grandes desarrollos y aplicaciones prácticamente a todas las áreas de actividad humana, que comenzaron como proyectos de representación y análisis de la realidad y que se han orientado progresivamente a la planificación y la toma de decisiones.

En la primera década del siglo XXI, las aplicaciones SIG han experimentado una gran penetración en la sociedad (hasta este momento constituían un nicho reservado a técnicos muy especializados) gracias a los conceptos de la Web 2.0 (mashups, AJAX, webs colaborativas construídas a partir de aportaciones de los usuarios como wikis, etc.) plasmados en aplicativos como Google Maps y Google Earth, (y la irrupción del formato KML), Yahoo Maps, etc.

Definiciones de Sistemas de Información Geográfica.

En primer lugar, hay que decir que existen tres acepciones en uso para este acrónimo:

  • SIG como disciplina. Se ocupa de la aplicación de las TI a la gestión de la IG; es una ciencia aplicada que se ocupa de todo lo referente a los SIG como proyecto (segunda acepción). En este sentido se habla de experiencia en SIG, cursos y seminarios sobre SIG, especialistas en SIG, libros sobre SIG, etc.
  • SIG como proyecto. Cada una de las realizaciones prácticas de la disciplina SIG, cada instalación existente. En una primera aproximación, es un sistema capaz de proporcionar cierta información, ya procesada, sobre elementos de los que se ocupa la Geografía. Ésta es la acepción principal, luego nos detendremos para dar una definición más precisa.
  • SIG como “software”. Las casas comerciales llaman SIG al programa, o programas integrados, que ofertan para el establecimiento de un SIG proyecto.

Se trata de un caso de sinécdoque, en el que se nombra a la parte por el todo. Un SIG proyecto se compone de hardware, software, datos, personal y organización. El único problema estriba en que hay que ser consciente de la sinécdoque y no caer en la ingenuidad de creer que por el mero hecho de adquirir un SIG software ya se tiene un SIG proyecto. Un SIG es algo más que un sistema de almacenamiento de mapas digitales, en realidad se trata más de una herramienta informatizada de resolución de problemas con una componente geográfica.

La definición más extendida de SIG, con pequeñas variaciones, es la establecida por el Departamento de Medio Ambiente (DoE), Burrough, Goodchild, Rhin y otros. Entresacando lo mejor de cada formulación y refundiéndolo a nuestro criterio, podemos sintetizarla diciendo que
un SIG es un: “Conjunto integrado de medios y métodos informáticos, capaz de recoger, verificar, almacenar, gestionar, actualizar, manipular, recuperar, transformar, analizar , mostrar y transferir datos espacialmente referidos a la Tierra”.

Una definición muy ilustrativa es la de Bouillé (1978), que concibe un SIG como un: “Modelo informatizado del mundo real, descrito en un sistema de referencia ligado a la Tierra, establecido para satisfacer unas necesidades de información específicas respondiendo, del mejor modo posible, a un conjunto de preguntas concreto”

Esta definición implica:

  1. Una capacidad de registro selectiva ante los fenómenos del entorno, un proceso de abstracción para generar un modelo simplificado, y la elección de una estructura conceptual para los entes considerados, sus propiedades y los sucesos en los que se ven implicados. Un SIG contiene una versión simplificada, abstraída y estructurada de una parte del mundo real.
  2. Que los datos tienen que estar descritos en un Sistema de Referencia ligado a la Tierra, condición indispensable para que estemos hablando de Información Geográfica, con todas sus características y su problemática específica.
  3. Una finalidad que orienta todo el proyecto: las consultas a responder, es decir los requisitos que definen de qué SIG se trata.
  4. Que un SIG es un proyecto de ingeniería que busca una solución óptima para resolver un problema.

Componentes de un SIG

Hardware

Grupo de componentes materiales utilizados en un sistema informático. Es la parte tangible, física y real de un Sistema de Información.
Los equipos de hardware más populares son los ordenadores personales. En SIG, también se usan las estaciones de trabajo o Workstation.
Es el componente que ofrece cada vez más prestaciones a un coste cada vez más reducido. Evoluciona a una gran velocidad y se puede decir que es el componente mejor resuelto con diferencia.

Software

Es el conjunto de programas que corre en un sistema informático, la parte no física. La palabra nace por oposición a hardware. Depende de él, evoluciona mucho mas lentamente, y esto llega a ser un problema, porque usando lenguajes de alto nivel no se aprovechan al máximo las
posibilidades de la máquina. El tiempo medio de vida de una versión de una aplicación es de 2 años.

A continuación veremos los tipos de funciones que puede incluir un software SIG.

Funciones de Entrada.

Los procedimientos de entrada de datos en un SIG permiten:

  • Introducir datos posicionales digitalizando entidades cartográficas de forma georreferenciada, con sus coordenadas x, y, z en base a un sistema de referencia convencional.
  • Introducir datos alfanuméricos. Los más importantes son los códigos individuales y únicos de cada entidad cartográfica, que servirán como identificador y nexo de unión entre las entidades cartográficas y sus atributos alfanuméricos.
  • Importar datos existentes procedentes de otras fuentes y formatos de datos.

Funciones de Gestión.

Las funciones de gestión son llevadas a cabo por un subsistema del SIG: el sistema gestor de la base de datos (SGBD o DBMS- Database Management System). Su finalidad es permitir la independencia entre la organización física y la organización lógicade los datos.
Las funciones principales de un SGBD de un SIG son controlar:

  • la organización físico-lógica de los datos
  • el almacenamiento
  • la recuperación
  • y la actualización

Funciones de Manipulación

Por funciones de manipulación entendemos los procedimientos utilizados para la:

  • estructuración topológica
  • transformación
  • superposición
  • e integración de los datos geográficos, cartográficos y temáticos.

La función más importante es la de estructuración topológica de los datos, que consiste en la definición digital explícita de las interrelaciones geométricas de los fenómenos (intersección, conectividad, etc.) representados en la base de datos. Este concepto se explicará más adelante.

Funciones de Análisis.

Las funciones de análisis espacial del SIG son, sin duda, las más representativas y las que le diferencian claramente de otros sistemas de información espacial. Pueden ser:

  • Funciones de recuperación
  • Funciones de superposición
  • Funciones de vecindad
  • Funciones de conectividad

Funciones de Representación.

El quinto tipo de funciones del software SIG son las de representación de los resultados obtenidos del análisis y del tratamiento de los datos.
Los resultados expresan tanto la información contenida en la base de datos geográficos como las operaciones y análisis realizados. Los procedimientos de representación de resultados incluyen: tratamiento de textos, Simbolización, transformación de los resultados numéricos en resultados gráficos, etc.

Este componente ha evolucionado razonablemente bien y cada vez hay soluciones más eficaces y fáciles de utilizar. Hay programas muy sofisticados y avanzados, sin embargo el proceso de selección de software es complicado y es una de las fases críticas de todo proyecto SIG.

Datos

La información geográfica es intrínsecamente muy compleja y presenta características peculiares que hacen que su gestión constituya una especialidad diferente de la mera gestión de SI: es muy voluminosa, fractal, borrosa, dinámica y polimorfa.

Para abstraer adecuadamente un modelo que represente el mundo real, o al menos la parte que nos interesa, hay que definir un Modelo Conceptual, fase a la que no se le presta la suficiente atención y que resulta ser crítica.

Los datos constituyen uno de los componentes más problemáticos: si son vectoriales por su escasez (todavía hay grandes zonas de la superficie terrestre sin cartografiar a escalas grandes) y si son ráster por su coste, que puede llegar al 60 % o más del coste total del proyecto.

Personal

Conjunto de personas que trabajan en un proyecto SIG y que debe estar especializado tanto en tecnologías de la información como en las disciplinas relacionadas con la cartografía (Geodesia, Fotogrametría, Topografía, Cartografía, Geografía, etc.). El mayor problema de este
componente es, por lo tanto, la formación.

Organización

Es de vital importancia, jerárquicamente lo primero, y a menudo no se le presta la atención debida. Teniendo el resto de componentes de gran calidad y adecuados al proyecto, si falla la organización, no sólo no está garantizado el que se complete el trabajo con los plazos y dinero previstos, sino que es muy probable que no se llegue nunca a finalizar. La organización incluye:

  • Definición de objetivos claros y concretos.
  • Presupuesto, medios y rentabilidad asegurados.
  • Estudio detallado de viabilidad.
  • Planificación realista y precisa.
  • Coordinación de las distintas fases del proceso.
  • Estructura jerárquica clara y eficaz, con reparto de responsabilidades y de las correspondientes capacidades de decisión.
  • Cuidadosa labor de selección de hardware, software y personal.
  • Elaborar planes de formación continua del personal y de renovación de hardware, software y datos.
  • Controles de calidad.
  • Previsión de todos los supuestos.
  • Sentido común.

Un sistema en el que alguno de los componentes citados presente un desequilibrio frente a los demás, no puede funcionar satisfactoriamente y por lo tanto fracasará. El más importante de ellos es la organización, porque en realidad engloba a los demás.
Un aspecto básico de la organización es la planificación, teniendo en cuenta la previsión de todas las situaciones que se puedan presentar por improbables que parezcan, de cada una de las fases de un proyecto SIG.

Clasificación de los Sistemas de Información Geográfica.

Según la arquitectura

SIG duales

También se le llama el modelo hibrido o dual. Es la solución más extendida. Se mantiene la información gráfica gestionada por un CAD, con una clave identificadora única para cada elemento. Esa clave sirve para realizar búsquedas en el GBD que contiene todos los atributos e información alfanumérica.

Inconvenientes: la parte gráfica no se beneficia de todas las ventajas de estar bajo un GBD, en particular la indexación espacial y el bloqueo espacial admiten soluciones parcialmente satisfactorias.

Esta es la aproximación que adoptaron sistemas como el primigenio Arc/Info (Arc era el sistema gráfico, e Info la base de datos alfanumérico) o sistemas relativamente recientes como Autocad Map, que permite gestionar la información gráfica en formato DWG, y anexar información alfanumérica en algún formato de base de datos (DBF, u orígenes ODBC).

SIG orientados a objetos (OO)

Los dos mundos están integrados, primero consiguiendo que un GBD maneje ficheros gráficos (el problema es la longitud variable o falta de estructuración de los tipos de datos), y segundo aplicando una concepción orientada al objeto, en la que los elementos contengan información sobre sus propiedades, comportamiento, mensajes de error, etc.

Inconveniente: aparece un límite en el volumen de información que se puede gestionar. En unos casos porque se tomó un GBD que se quedó anclado, sin evolucionar, al no ser relacional y aceptar registros variables. En otros porque se trabaja en memoria real, y siempre hay un límite
para la RAM de un equipo. No está totalmente implantada ni extendida, constituye un enfoque algo inmaduro todavía, pero es una concepción filosófica y conceptualmente mas avanzada.

Por el tipo de respuesta

SIG transaccionales

Incluyen consultas, altas, bajas, modificaciones, informes, listados, etc.

SIG con simulación

Contienen un modelo de comportamiento en el tiempo para algún aspecto de la realidad. Hay modelos atmosféricos, oceanográficos, de difusión en ríos, tráfico en carreteras, muy desarrollados.

SIG decisionales

Los llamados “Spatial Desition Support System” (SDSS), que con técnicas de Inteligencia Artificial, sustituyen total o parcialmente la capacidad de decisión humana.

Por los datos

SIG 2D 2D1/2 y 3D

Los SIG 2D son los que utilizan un sistema de coordenadas plano, basado en sólo dos coordenadas, (x, y) por lo que se representa el mundo real como si fuera plano.

En los SIG 2D1/2, se almacena la tercera coordenada, pero tan sólo como un atributo, nunca como una coordenada más, sin utilizarla para la generación de topología o el cálculo de distancias, áreas, etc.

En los SIG 3D, se almacenan tres coordenadas y se tratan las tres de igual manera.

SIG ráster y vector

SIG ráster

Maneja datos ráster, que consisten en una serie de planos conceptuales superponibles, divididos en celdillas (píxeles o teselas) mínimas que pueden almacenar un valor numérico para un atributo, o un dato binario (0/1). Los datos de satélite son de este tipo. En un SIG ráster, el volumen de almacenamiento es enorme; el análisis superficial y el cruce de información es mas fácil, y la gestión de redes mas difícil.

Existen extensiones del modelo ráster a tres dimensiones, para describir vetas de mineral en tres dimensiones, capas geológicas, etcétera, en las que se manejan los conceptos de voxel, área y volumen.

SIG vector

Maneja datos vectoriales, en los que los elementos (puntuales, lineales y superficiales) vienen descritos por las coordenadas de los vértices que definen las poligonales o curvas con que se los representa. Aquí la gestión de redes es más cómoda, y el análisis espacial más difícil.

SIG temporales

Son los SIG que almacenan la coordenada tiempo de alguna manera, o bien como una coordenada más o como un atributo que permite contestar consultas temporales.

Ventajas de los Sistemas de Información Geográfica. El concepto de georreferenciación.

Los conceptos de información espacial, información geográfica, información georreferenciada o geodatos, aluden a información susceptible de ser localizada en el espacio, y por tanto, de ser representada en un mapa (medio -según la acepción de hipermedia- de comunicación visual de gran potencia). Existen diferentes formas de representar espacialmente un dato, como puedan ser las coordenadas geográficas (latitud y longitud), cartesianas en algún sistema de referencia cartográfico o, simplemente, una dirección postal que permita ubicar dicha posición en el espacio de forma inequívoca (geocodificación).

Diversas fuentes coinciden en señalar qe el 80% de la información en formato electrónico actualmente almacenada en sistemas de
todo tipo, es información georreferenciada o susceptible de serlo.

Algunas ventajas de la información espacial, que justifican el proceso de georreferenciarla son:

  • la capacidad netamente superior, y a veces exclusiva, que posee la información espacial para integrar conjuntos de información de otra forma inconexos, mediante la aplicación de las relaciones espaciales de coincidencia, proximidad o adyacencia que posibilita el conocimiento de la localización espacial. Esta es la base del análisis espacial.
  • La información espacial se puede representar en forma gráfica y simbólica mediante mapas.

El concepto de Georreferenciación.

La georreferenciación es el proceso mediante el cual un dato es localizado en la superficie terrestre. Existen diferentes tipos de georeferenciación:

Georreferenciación directa.

Se basa en el uso de un sistema de coordenadas establecido para un determinado sistema de proyección. Los sistemas de proyección están pensados para resolver el problema de proyectar la superficie curva de la tierra en un sistema plano. Aunque todo sistema de proyección distorsiona la realidad, podemos mantener sin distorsión el área (proyecciones equivalentes), las distancias (equidistantes) o
los ángulos (conformes).

Entre los sistemas de proyección globales (válidos en todo el globo terráqueo), el más utilizado es el correspondiente a la proyección UTM (Universal Transversal Mercator), que se obtiene proyectando el globo terraqueo, sobre un cilindro cuya directriz es un meridiano terrestre (a lo largo del cual la distorsión es nula). Puesto que la distorsión aumenta conforme nos alejamos del meridiano central de la proyección, se subdivide el globo terráqueo en zonas (aquellas para cuyos extremos la distorsión es tolerable) denominadas husos. En este caso, los datos de georeferenciación se expresan mediante un identificador de huso y dos coordenadas (x,y) en metros, según los ejes E-O y N-S respectivamente. Este sistema es el que se usa en la mayoría de los organismos cartográficos nacionales e internacionales, así como en el que se proporcionan habitualmente los datos de imágenes de satélites. Sin embargo, los problemas se presentan cuando es necesario trabajar con datos de dos husosdiferentes.

También se usan asiduamente las llamadas coordenadas planas, resultantes de obviar la curvatura terrestre, por lo que son válidas para problemas cuyo área de interés sea de dimensiones moderadas, ya que en otro caso se producirán inconsistencias por las distorsiones introducidas.

Normalmente los SIG comerciales proporcionan funcionalidades para realizar cambios de coordenadas entre varios sistemas diferentes, ya que es habitual disponer de información gráfica referida a distintos sistemas de proyección.

Georreferenciación indirecta.

Su fundamento es asociar al elemento que se representa una clave o índice, normalmente con significado administrativo (dirección, código postal, etc.), que puede ser usada para la determinación de una posición, naturalmente con una precisión no siempre equivalente a la obtenida con georreferenciación directa. La virtud de este sistema es el poder aprovechar de forma inmediata la gran cantidad de información disponible con georreferenciación directa.

gis
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