Manual del estudiante de Ingeniería en Sistemas de UTN/Sistemas de Información Geográficos/Unidad 1, Introducción

Introducción

SIG es un acrónimo de Sistema de Información Geográfica. Un SIG trabaja con características geográficas o espaciales. Los objetos que representa pueden ser no sólo de naturaleza física, sino también culturales o económicos.

Diferentes definiciones de SIG

GIS es una base de datos digital de propósito especial, en la cual un sistema de coordenadas espaciales común constituye el método primario de referencia. Toda la información en un SIG está vinculada a una referencia espacial.

Almacenamiento, obtención y consulta de datos

El concepto de GIS integra diversas tecnologías. Mientras otras tecnologías pueden ser usadas sólo para analizar fotografías aéreas e imágenes satelitales que permitan crear modelos estadísticos, o dibujar mapas, estas capacidades son ofrecidas todas juntas dentro de un SIG.

Transformación, análisis y modelado de datos, incluyendo estadísticas espaciales

Un SIG debe ser visto como un proceso de tratamiento de información espacial, y no sólo como el software o el hardware que lo soporta.

Un SIG es un sistema basado en computadoras que almacena, integra y analiza información de aspectos de la tierra, que están sobre y debajo de ella.

Historia de los SIG

El desarrollo de mapas experimentó una serie de innovaciones:

• La fotografía aérea.
• La Fotogrametría (técnica de efectuar medidas desde fotografías).
• Con el lanzamiento de satélites, se ha logrado suministrar una figura geodésica completa de la superficie de la tierra, por medio de equipamiento fotográfico de alta resolución.

Los sistemas SIG manuales evolucionaron a partir de la cartografía, donde los arquitectos y diseñadores necesitaron visualmente comparar el plan de construcción con el mapa del sitio. Se utilizó luego la superposición de mapas, los cuales eran hojas de papel transluciente sobre las cuales los mapas eran dibujados o impresos. Este proceso de superposición puede ser usado para superponer datos estructurales en una foto aérea. Esta técnica era usada generalmente por diseñadores o arquitectos en la presentación del diseño a los clientes. La experiencia en publicación de atlas de alcance nacional e internacional, convenció a los desarrolladores de mapas que las computadoras podían proveer reducciones de costo significativas en el análisis, y confección de los mismos. El desarrollo y distribución del software ADMATCH (address matching), influenció la creación de la asociación SORSA (Spatially Orientated Referencing Systems Association).

En 1963, en la Universidad de Harvard se creó SYMAP, que consistía en un paquete para confección de mapas de isolíneas, colorimétricos, y de aproximación en impresoras de línea. Un paquete posterior denominado CALFORM, que utilizaba plotters, producía mapas más exactos.

Steinitz y Sinton produjeron un programa basado en celdas, GRID, el cual permitía la superposición de datos en conjunción con SYMAP. A partir de ello los cartógrafos y científicos de Hardvard contribuyeron al diseño y construcción de ODYSSEY, el prototipo del SIG actual de tipo vector.

Aproximadamente al mismo tiempo que en Harvard se estaba desarrollando este sistema, Tomlinson, junto con el gobierno canadiense, condujo la creación de lo que puede haber sido el primer SIG.

El sistema que Tomlinson ayudó a desarrollar, estuvo operacional en 1971, y contenía más de 1000 mapas en más de 100 diferentes tópicos. CGIS puede ser el SIG más grande en operación y el único en cubrir un área continental en gran detalle.

Durante 1971, Bureau desarrolló, conjuntamente con la Universidad de Hardvard, el proyecto de atlas urbano, que digitalizó aproximadamente 35000 parcelas censales de una manera efectiva en lo referente a costos. Esto requirió el desarrollo de software que permitió el surgimiento de otros sistemas como ARITHMICON (sistema con capacidades analíticas) y TIGER (un SIG civil integral), además de DIME.

ESRI comenzó como una organización sin fines de lucro que desarrollaba un paquete raster. Una versión tridimensional de GRID fue denominada GRID TOPO, y a finales de los 70s, ESRI introdujo al mercado un sistema vectorial denominado PIOS (Planning Information Overlay System). ESRI ha sido el vendedor más exitoso durante los 80s y 90s, debido al sistema ARC/INFO, adoptado como estándar por muchas organizaciones gubernamentales tanto locales como nacionales.

Desde 1990, los temas de importancia actual están más relacionados a cuestiones de diseño, tales como exactitud de los mapas, el problema de combinar conjuntos de datos de diferentes formatos, etc. En este último caso, la acumulación de datos de los primeros SIG en formato vectorial, hace difícil la integración precisa con los sistemas SIG actuales.

Conceptos Básicos

La información gráfica comprende datos sobre la superficie por encima y por debajo de la tierra, así como también la atmósfera de la misma; interpretaciones y explicaciones aplicadas a dichos datos, y un marco organizacional para comprender la información.

El valor más importante de la información geográfica computarizada consiste en la integración de orígenes y tipos de datos dispares. El análisis espacial va más allá de la simple recuperación de información, permitiendo explorar procesos y relaciones espaciales.

Componentes del Sistema

El concepto de SIG consta de cinco componentes básicos:

Personas

Expertos de varias disciplinas científicas, operadores SIG, expertos SIG, desarrolladores de aplicaciones.

Datos

Pueden ser de tipo espacial, temporal, o alfanumérico.

Métodos

Para almacenamiento, análisis, recuperación, y reporte de datos.

Software

Software de base y de desarrollo de aplicaciones.

Hardware

Estaciones de trabajo, almacenamiento primario y secundario de datos, plotters, dispositivos de comunicación y digitalización.

Sistemas de Representación

En general la información geográfica es representada por tres tipos de entidades espaciales:

Puntos

Líneas

Es básicamente un conjunto de puntos ordenados.

Áreas o Polígonos

Figuras planas con limites de líneas.

Datos

Cada sistema SIG debe ser capaz de importar datos en diferentes formatos, no sólo en el formato nativo de un SIG en particular. El software SIG debe ser capaz de leer formatos de datos estándar, tanto para el modelo raster (DEN, GIFF, TIF, JPEG, EPS), como para el modelo vectorial (TIGER, HPGL, DXF, Postscript, DLG).

Una función más crítica de un SIG es la habilidad de convertir datos entre los modelos raster y vectorial, lo que constituye una característica esencial para la integración de múltiples orígenes de datos, tales como Sistemas de Posicionamiento Global (GPS) e imágenes satelitales.

A nivel internacional, varios estándares de transferencia de datos están siendo desarrollados, tales como el Spatial Data Transfer Standard (SDTS) y Digital Geographic Information Exchange Standard (DIGEST).

El poder del software SIG proviene no sólo de la habilidad de manejar datos de mapas sino también atributos. Cada SIG es construido sobre las capacidades de un sistema de gestión de base de datos (DBMS), un paquete de software capaz de almacenar, obtener y reorganizar información de manera selectiva.

Métodos

Una taxonomía de las capacidades de un SIG

Las capacidades de un SIG pueden ser agrupadas en seis categorías: captura, almacenamiento, gestión, obtención, análisis y visualización de datos. Estas seis funciones deben estar siempre presentes en un software para calificar como SIG.

Captura de datos

Antes de que un mapa pueda ser digitalizado, necesita ser preparado. Si el software SIG soporta funciones de digitalización automática, el mapa necesita estar limpio, libre de anotaciones y marcas, aunque existen sistemas sofisticados que detectan y eliminan errores en el proceso de digitalización. Otra de las funciones esenciales en este paso es la edición de los mapas luego de su captura.

Para un conjunto de datos vector, como mínimo se debe eliminar y volver a introducir un punto o una línea. Para un conjunto raster, se debe modificar la grilla seleccionando subconjuntos, cambiando el espaciado de la grilla, o cambiando un valor erróneo de la grilla. Otra función típica de un editor es unir nodos, donde dos puntos cercanos que deberían ser el mismo punto; eliminar, cuando límites duplicados o líneas innecesarias son eliminadas automáticamente o manualmente; y formar mosaicos, en donde hojas de mapas adyacentes escaneadas o digitalizadas separadamente son combinadas en una base de datos.

Otra importante habilidad de edición es la de generalización de mapas. Muchos módulos de digitalización de sistemas SIG generan mucho más puntos que los necesarios para ser usados por el SIG. Muchos paquetes SIG permiten al usuario seleccionar el grado de precisión o calidad a considerar. Las características de área pueden ser eliminadas si son muy pequeñas, o agrupadas. Para un conjunto de puntos, muchos SIG eliminan puntos duplicados con las mismas coordenadas. La generalización depende de la escala tomada, pudiendo producir perdida de datos.

Los SIG topológicos pueden realizar chequeos automáticamente para asegurarse que las líneas convergen en nodos y que el área entera del mapa es cubierta por polígonos sin huecos o superposiciones, eliminando además, líneas duplicadas, cerrando polígonos, etc. Algunos SIG son capaces de realizar conversiones directas de datos GPS, utilizando sistemas de coordenadas geométricas o imágenes obtenidas remotamente.

El software de geocodificación permite realizar proyecciones de mapas y desplazarse entre distintos sistemas de coordenadas.

En algunos casos, cuando no existe un buen control, los mapas deben ser registrados conjuntamente de manera estadística, especialmente cuando una capa es un mapa y otra una imagen o fotografía. El método estadístico conocido como georreferenciación mediante puntos de control es utilizado para dicho propósito, por lo que constituye una función interna en muchos paquetes SIG.

Almacenamiento de datos

El almacenamiento de datos dentro de un SIG ha sido históricamente una cuestión de espacio y de acceso, y aún puede ser una restricción, ya que el software SIG en una computadora ocupa quizás, cientos de megabytes.

Gestión de Datos

El sistema de gestión de base de datos (DBMS) permite la entrada de datos, su edición y consulta. Muchas operaciones con los datos son importantes desde la perspectiva de la cartografía: mapas capturados de diferentes hojas deben ser combinados conjuntamente, o una máscara debe ser aplicada sobre los datos con el objetivo de excluir características del SIG. Incluso, de manera más compleja, un río o un límite político puede ser seccionado o pueden añadirse nuevas capas. Esta característica, denominada segmentación dinámica, puede ser realizada automáticamente por el SIG.

Obtención, análisis y visualización de datos

Un SIG soporta la obtención o consulta tanto de sus características espaciales, como de sus atributos. El análisis geográfico requiere una asociación cercana entre elementos espaciales y sus atributos. Previamente cada uno de ellos ha sido gestionado separadamente dentro de paquetes automatizados de cartografía y base de datos respectivamente. SIG provee la tecnología para realizar análisis más sofisticados, haciendo uso del vínculo entre ambos. Las consultas realizadas a un SIG pueden ser gráficas o de datos. Las consultas gráficas involucran elementos espaciales, basadas en la búsqueda de objetos y la obtención de los atributos asociados al mismo; o pueden involucrar la selección de alguna característica gráfica y la obtención de la información asociada. Las consultas de datos involucran el uso de valores de datos de manera selectiva para visualizar la congruencia con las características espaciales, o el uso de atributos para determinar los patrones de colores de relevancia para los elementos espaciales.

Ejemplos de tipos de análisis espaciales disponibles dentro de un SIG incluyen:

Mapas temáticos cuantitativos

Las diferentes áreas son clasificadas de acuerdo a sus atributos.

Generación de bandas

Los límites son creados alrededor de puntos, líneas o áreas a una distancia igual en todas las direcciones. Estos límites con forma circular o de polígono representan áreas como conjunto de distancias desde el objeto original.

Superposición de polígonos

Las distintas áreas en una capa de datos son superpuestas en otras capas para calcular áreas que tienen una cierta combinación de atributos o falta de ciertos valores.

Las herramientas de análisis de datos incluyen agregación, clasificación, medición, superposición, creación de bandas, redes y álgebra de mapas. La agregación ayuda al usuario en la interpretación de los datos, la clasificación permite al usuario clasificar áreas dentro de un mapa, y la medición puede ser utilizada para determinar el tamaño de cualquier área. La función de superposición permite al usuario ubicar capas de un mapa sobre otro. La función de creación de bandas examina un área que rodea una característica de interés. El análisis de redes examina el movimiento de los objetos a lo largo de un camino interconectado. El álgebra de mapas permite al usuario especificar relaciones matemáticas entre capas de un mapa.

Traza de líneas de contorno

Implica la interpolación de líneas de igual elevación a partir de datos de altura disponibles.

Análisis de terreno

Implica la creación de vistas en tres dimensiones o modelos digitales de terreno (DTM) provenientes de datos de altura disponibles.

Análisis de Redes

Implica la traza a través de una red de líneas conectadas, para simular flujos de tráfico o agua. Generalmente este tipo de análisis permite calcular el camino más corto o rápido entre dos puntos de una red.

Cálculos de área

Implica el cálculo del área de un polígono o la longitud de una línea.

Interfaces

Hardware utilizado en conversiones digitales de datos

Muchos paquetes de software SIG contemporáneos, están estructurados para trabajar en estaciones de trabajo con el objetivo de realizar tareas de edición y digitalización. Pueden identificarse cuatro tipos de estaciones de trabajo:

Estación de trabajo de digitalización

Está conectada a un tablero digitalizador que utiliza una terminal de visualización de alta resolución, y posee todas las funciones de análisis necesarias para consultar, editar y visualizar los datos.

Estación de trabajo de edición

Utilizada para monitorear muchas de las funciones de control y aseguramiento de calidad durante el proceso de conversión.

Estaciones de trabajo para entrada de datos

Utilizadas para visualizar y evaluar datos gráficos, así como también atributos asociados con tales características.

Terminales X

Usadas para permitir entrada y visualización de datos mediante el empleo del sistema X Window.

Personal asociado a un sistema SIG

Los usuarios del sistema

Son aquellas personas que usarán el SIG para resolver problemas espaciales. Generalmente son personas entrenadas en SIG. Sus tareas primarias consisten en la digitalización, edición, análisis y chequeo de datos primarios, así como brindar soluciones finales a diversas consultas.

Los operadores de sistemas

Son responsables de las operaciones diarias del sistema, generalmente realizando tareas que permitan a los usuarios realizar sus funciones eficientemente. Su trabajo involucra el arreglo de desperfectos ante problemas con los programas de aplicación, o cuando la complejidad del análisis requiere una comprensión adicional. Son además responsables, en muchos casos, del entrenamiento de los usuarios. Muchas veces suelen actuar como administradores de base de datos, manteniendo la seguridad e integridad de la base de datos para prevenir posibles pérdidas o corrupción de datos.

Los proveedores de SIG

Son responsables de suministrar soporte y actualizaciones del software. Suelen trabajar de manera coordinada con compañías de desarrollo de hardware proveyendo paquetes cerrados de software y hardware.

Los proveedores de datos

Pueden ser tanto privados como públicos. Las compañías privadas pueden proveer datos generados internamente u obtenidos de agencias públicas, modificándolos para satisfacer de manera más adecuada las necesidades de la comunidad. Las agencias públicas, principalmente agencias de gobierno, proveen datos para las mismas y para usuarios externos.

Los desarrolladores de aplicaciones

Son generalmente programadores entrenados que proveen la interfaz para reducir el tiempo de operación de los profesionales que realizan las tareas comunes.

Analistas SIG

son un grupo de personas especializadas en el diseño del sistema. Generalmente son parte de un equipo de profesionales responsable de determinar las metas y objetivos del sistema SIG dentro de una organización, y asegurar la integración del sistema en el ambiente organizacional.