DISEÑO DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (SIG)

Transcripción

1 Geografía y Sistemas de Información Geográfica (GEOSIG). Revista digital del Grupo de Estudios sobre Geografía y Análisis Espacial con Sistemas de Información Geográfica (GESIG). Programa de Docencia e Investigación en Sistemas de Información Geográfica (PRODISIG). Universidad Nacional de Luján, Argentina. (ISSN ) Luján, Año 5, Número 5, 2013, Sección I: Artículos. pp DISEÑO DE UN SISTEMA DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA (SIG) PARA EL ANÁLISIS ESPACIAL DE FENÓMENOS NATURALES EN EL ÁREA PROTEGIDA PARQUE NACIONAL JARDINES DE LA REINA, CUBA Yudisleyvis Ventura Díaz 1, Eduardo J. Molina Blancas 2 ; Yandy Rodríguez Cueto 1 y Saúl A. Romero Barrueta 3. (1) Centro de Investigaciones de Ecosistemas Costeros, Cayo Coco, Ciego de Ávila, Cuba. (2) Centro Regional de Enseñanza en Ciencia y Tecnología Espacial para América Latina y el Caribe (CRECTEAL), Puebla, México. (3) Instituto Nacional de Astrofísica, Óptima y Electrónica (INAOE), Puebla, México. yudy@ciec.fica.inf.cu - jerjesmolina@hotmail.com - yandy@ciec.fica.inf.cu - saul.romero.barrueta@gmail.com RESUMEN El diseño de un Sistema de Información Geográfica (SIG) para el análisis espacial de fenómenos naturales en áreas protegidas constituye una herramienta muy útil en la representación espacial de la información obtenida y la creación de bases de datos. Debido a ello, este trabajo tiene como objetivo diseñar un SIG como herramienta principal para el análisis espacial de fenómenos naturales en el área marina protegida Parque Nacional Jardines de la Reina. Para lograrlo se tuvo en cuenta la metodología elaborada por el American National Standard Institute-Standards Planning and Requirements Committee (ANSI-SPARC). Los resultados de este estudio son: el diseño de una base de datos relacional con 12 entidades y 11 relaciones; la determinación de los algoritmos para la clasificación de los ecosistemas terrestres y marinos a partir de imágenes satelitales y la creación de una geodatabase para el Parque Nacional Jardines de la Reina, que quedó conformada por 55 capas, 15 tablas y 25 mapas. Palabras Claves: Diseño, Sistema de Información Geográfica, Dase de Datos, Relaciones, entidades, Geodatabase. ABSTRACT The design of a Geographyc Information System (GIS) for the spatial analysis of natural phenomenon on protected areas is a very useful tool to spatial representation of the information obtained and the creation of the database. For this reason, the goal of this work is to design a GIS as the main tool for the spatial analysis of the phenomenon on marine protected area Jardines de 129

2 la Reina National Park. To obtain this goal American National Standard Institute-Standards Planning and Requirements Committee (ANSI-SPARC) methodology was used. The results of this work are relational geodatabase design including twelve entitys and eleven relations, determination of the algorithm to classify both terrestrial and marine ecosystems from satellite imagery and creation Geodatabase on Jardines de la Reina National Park, constitute for fifty five layers, fifteen table and twenty-five maps. Keywords: Design, Geographyc Information System, Databases, Relations, Entitys, Geodatabase INTRODUCCIÓN La evolución experimentada en las últimas décadas por los sistemas computarizados ha revolucionado las ciencias y, sobre todo, el uso de herramientas que permitan una mejor representación de los fenómenos que tienen lugar en el espacio y tomar decisiones más acertadas en la gestión de los recursos. Las Ciencias Geográficas no han estado exentas de esta evolución y se han visto influenciadas por el surgimiento de Sistemas de Información Geográfica (SIG) que constituyen un soporte vital en los estudios realizados en las diferentes ramas del conocimiento. En la rama de la aplicación práctica de los SIG entra la utilización de los ellos como herramienta para el estudio, manejo y conservación de las ecosistemas marinos, y sobre todo aquellos que se encuentran en áreas protegidas, las cuales han sido objeto de un amplio estudio en las últimas décadas, sobre todo los estudios que demuestran el peligro real de estas áreas ante cambio climático o ante cualquier eventualidad o cambio que experimente el ambiente que las rodea. Además que son estudiadas por las diversas formas de vida que en ellas se encuentran, lo que hace más complejo el estudio y representación de ecosistemas existentes en estas. El diseño y la gestión de las áreas protegidas (AP) evolucionan constantemente y para su manejo se aplican métodos tradicionales y el uso de modernas tecnologías. Las áreas protegidas presentan gran variedad de factores que inciden en la gestión de las mismas, por lo que se requiere manejar gran cantidad de datos; pues la mayor parte de las características marinocosteras y socio-económicas que son analizadas en la gestión, tienen atributos espaciales que permiten su representación, análisis y almacenamiento en forma de mapas. Jardines de la Reina es un archipiélago del Mar Caribe en la parte sureste de Cuba, ubicada en las provincias de Camagüey y Ciego de Ávila entre el golfo de Ana María (noroeste), el golfo de Guacanayabo (Sur) y el Canal de Caballones (Oeste). Fue llamado así por Cristóbal Colón en honor a la Reina de España. Actualmente es un Parque Nacional, siendo una de las áreas protegidas más grandes de Cuba, abarca una extensión de 2,170 km². (Ver figura 2) 130

3 Figura 2. Mapa de Ubicación del parque Nacional Jardines de la Reina En el Parque Nacional Jardines de la Reina se han desarrollado numeras investigación, generándose mucha información pero imposibilitando el trabajo interrelacionado y el acceso de manera rápida a la información, ya que se encontraba de manera muy dispersa y separada una de otra, aunque la mayoría se relacionan entre sí. Por esta razón surge esta investigación que se trazó como objetivo diseñar un SIG como herramienta principal para el análisis espacial de los fenómenos en el área marina protegida Parque Nacional Jardines de la Reina. Para poder cumplir con este objetivo se desarrollaron otros como fueron: elaborar una base de datos que permita el rápido acceso a la información, emplear un diseño de base de datos que permita las interrelaciones entre la información, determinar los algoritmos para la clasificación de los ecosistemas terrestres y marinos con el empleo de imágenes satelitales, representar cartográficamente la información obtenida. Contar en Jardines de La Reina con un diseño para un sistema computarizado (Sistema de Información Geográfica) que apoye estas tareas constituye un gran aporte al uso, manejo y conservación del área protegida (AP) por la facilidad del manejo de la información, además de la creación de representaciones cartográficas de la misma para investigaciones futuras. 131

4 ANTECEDENTES Actualmente los SIG se presentan como herramientas indispensables, altamente valoradas, en la planificación de cualquier sociedad. De hecho, son útiles en todas las esferas de actividad del hombre, facilitando su comprensión del mundo real que lo rodea y con el cual están en permanente interacción. (Remond, 2010) De ahí que los SIG sean empleados en disímiles esferas y de que existen muchos criterios teóricos, metodológicos, y de aplicación. Esto facilita que se puedan consultar muchas metodologías sobre el tema. En este artículo solo se harán referencia a las de más importancia y que de una forma u otra guarda relación con el objetivo de la investigación. Un ejemplo de esto es el trabajo realizado por ANSI-SPARC (American National Standards Institute, Standards Planning and Requirements Comitee), donde incluso han llegado a establecer una metodología para el trabajo con los SIG. En esta metodología plantean la existencia de cuatro niveles diferentes para el modelamiento de datos que se pueden tomar como etapas para el diseño de Sistemas de Información a partir de la percepción del llamado mundo real, estos son (en Laurini & Thompson, 1992): o Nivel externo o Nivel conceptual o Nivel lógico o Nivel interno De acuerdo con los objetivos de este trabajo, solamente resulta de interés el cómo definir los modelos externos y el modelo conceptual para la base de datos a crear. (American National Standards Institute, Standards Planning and Requirements Comitee. (ANSI-SPARC). 1992) Otra investigación que nos refleja la diversidad del empleo de los SIG es Proyecto S.I.G en el área de medio ambiente de la Diputación provincial de Valencia" En esta investigación se utiliza el S.I.G para el análisis y la gestión ante las diferentes problemáticas medioambientales, para lo cual se establecieron diferentes etapas: recogida y elaboración de datos, implantación de los sistemas, y gestión de la información para los diferentes proyectos abordados. La información sobre la que se trabajó fue obtenida a través de encuestas medioambientales y se gestionó desde una base de datos relacional en (ACCESS). (Roselló. I, Vázquez. P, Martín. J, Martínez A, 1999). El trabajo Diseño y puesta en funcionamiento de un SIG como herramienta para el estudio del turismo y su planificación en las regiones del Archipiélago de los Canarreos y Cienfuegos, Trinidad-Topes de Collantes, Cuba, es una investigación donde los SIG fueron empleados para acciones de la actividad turística. Este trabajo contó con el objetivo de trabajar en el diseño del contenido, la estructura y algunas de las funciones que podrán ser ejecutadas y no al diseño completo a la medida de un grupo u organización en específico, lo cual implicaría muchísimos más aspectos, solamente se profundiza en: 1. Determinar qué información debe contener el sistema y como debe ser organizada 132

5 2. Qué Software y Hardware deben ser empleados? 3. Puesta en funcionamiento del SIG. (Remond. R, Quintela. J, Duran. M a. 1999). Mientras que la investigación Sistema de Información Geográfica (SIG) para el manejo integrado del ecosistema Sabana Camagüey, desarrolló la implementación de un SIG para la gestión y ordenamiento del ecosistema Sabana-Camagüey. Para el desarrollo del diseño se establecieron requisitos que tenía que tener el SIG para poder cumplir el objetivo, se analizaron todas las informaciones que se obtuvieron, se definió que se trabajaría con la escala para la base digital 1: Para algunos mapas se utilizó también la escala 1: y para los cayos más importantes (Coco, Sabinal, Santa María y Guillermo) se creó la cartografía digital base a escala 1: y 1: Se trabajó con el software SPANS (GIS, EXPLORER), de origen canadiense. Este es un software de SIG híbrido en cuanto a modelo de datos, presupone por tanto un enfoque mixto, facilitando el uso de modelos de datos vectoriales y raster, incluyendo el modelo jerárquicorecursivo (QUADTREE), el cual sirve para definir los mapas base que cortan automáticamente los límites de capas areales y son también requeridos para algunos análisis. La selección del mapa base en cada caso es importante y depende de si la información a procesar es de mar o de tierra, de la isla principal o de los cayos, entre otros; es decir, sirve también para delimitar y validar zonas de trabajo. El diseño del SIG se trabajó en etapas: recepción y preparación de los mapas temáticos, digitalización, redacción cartográfica digital, entrada y procesamiento de la información y la última etapa que fueron las salidas del SIG: los resultados obtenidos. (García. M, Páez. M, Martínez. P, et. al. 2000). En el área de estudio, Parque Nacional Jardines de la Reina, en el año 2009 se desarrollo una línea de SIG que formó parte de un proyecto. La línea recibió el nombre de: Implementación de un sistema de información geográfica en el Parque Nacional Jardines de la Reina. Este trabajo tuvo como objetivo aplicar un Sistema de Información Geográfica como herramienta principal para el asesoramiento de las investigaciones científicas en el área protegida Parque Nacional Jardines de la Reina para la obtención, organización y representación de la información existente de una mejor manera. El Sistema pasó a través de un proceso que tuvo diferentes etapas: Revisión de la información, en la cual se procedió a revisar toda la información espacial. Recepción y procesamiento de base de datos, en la que se recepcionó y adecuó las bases de datos de la información existente y de la levantada en el área en los meses de monitoreo. Diseño Final, donde se introdujeron las bases de datos al programa MapInfo versión 7.5 y se obtuvieron las capas de las diferentes líneas de investigación. Los programas utilizados para el trabajo de las bases de datos fue Microsoft Office Excel Mientras que para la representación espacial se uso el programa de Mapinfo versión 7.5. (Ventura. Y, Rodríguez. M y Lazarte. M. 2009). Mientras que en el empleo de bases de datos la evolución ha sido un poco diferente a los SIG, aunque en los últimos años los SIG han sido creados y evolucionados conjuntamente con las base de datos; y aunque aún le falta tener todo un sinnúmeros de herramientas que hagan todo lo referente a un buen manejo de información a la hora de trabajar con las bases de datos de los propios SIG, si se ha tenido un buen avance. Pero, al igual que los SIG, ellas son usadas en mucha áreas. Cabe mencionar también que uno de los aspectos de las bases de datos es que ellas presentan muchas funciones, lo que produce que se generen varios tipos y a su vez varias formas de trabajo para las bases de datos. En este sentido los autores de cada investigación según su 133

6 objetivo, problemática, tema, entre otros aspectos, seleccionan el tipo y las funciones que se necesitan de las bases de datos a emplear. Eso fue lo ocurrido para esta investigación que, teniendo en cuanta lo planteado anteriormente, se decidó trabajar con bases de datos de tipo relacional. Un ejemplo de investigación empleando este tipo de base de datos es: Modelado conceptual de bases de datos relacionales: El modelo E/Ren. En este artículo el autor se dedica a definir una serie de conceptos que permiten entender cómo funcionan las bases de datos relacionales, qué son, como es un diseño, entre otros aspectos. (Moreno A. 2000). En el trabajo Normalización de Bases de Datos y Técnicas de diseño, el autor, a través de algunos ejemplos, expone la forma correcta en que se deben diseñar las Bases de Datos para que no se produzca la corrupción de sus datos por un mal diseño y eso lo hace utilizando la normalización de base de datos. También explicas las normas a seguir para la normalización, estableciendo ejemplos. (Wise B. 2001). Mientras que otro autor en la investigación: Diseño de bases de datos relacionales: principios básicos de diseño, se centró en los modelos relacionales de bases de datos, definió el modelo relacional, las cualidades que debe tener un buen diseño de base de datos y estableció 7 cualidades. También se enfocó en el modelo de Entidad/Interrelación, así como el proceso de modelo Entidad/Interrelación, donde explica las relaciones que existen y las expone a través de ejemplos; y por último establecer los pasos a seguir del modelo Entidad/Interrelación al diseño de base de datos, donde estableció 5 pasos a seguir en función de las tres relaciones (uno a uno, uno a muchos y muchos a muchos). (Grayson T. 2002). Sin embargo en el artículo de la investigación: Diseño de base de datos relacional. Diseño lógico de Base de datos, se establece el diseño de bases de datos en tres etapas: diseño conceptual, lógico y físico; estableciendo lo que quedaría en cada etapa. Una vez establecido las etapas del diseño, se pasó al trabajo con claves para no repetir información atendiendo las etapas del diseño, utilizando las normas establecidas para la normalización de bases de datos relacionales. (García A. 2005). En el trabajo: Sistema de Información Geográfica (POPOGIS), se estableció como necesidad el hecho de contar con un sitio en la red donde se tuviera concentrada en una sola aplicación, la información recabada de varias dependencias como el Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática y el Centro Nacional de Prevención de Desastres. La forma de organizar estos datos geográficos fue mediante el uso de los Sistemas de Información Geográficos (GIS). También en este trabajo se creó una base de datos relacional, usando la normalización antes de definir el diseño de la base de datos, aunque también se trabajó con el modelo de Entidad/Interrelación. Se utilizaron para la implementación del SIG el software ArcGIS, con el que se modeló el mapa. Mientras que para el trabajo con las base de datos se utilizó el ArcCatalog, y el ArcGIS Server como servidor GIS. (Rodríguez C. 2008). En Bases de Datos Geográficas Generalidades, se establecen las generalidades de las bases de datos, de los elementos que tienen, de los atributos, etcétera. Después utilizan el lenguaje SQL para trabajar con las consultas en las tablas y elaborar la base de datos en 134

7 Geomarketing; permitiendo que toda la información que se tenía fuera almacenada en una base de datos relacional. (Pérez F. 2009). También en: Diseño y normalización de bases de datos relacionales, comenzaron por establecer conceptos de importancia como: base de datos, base de datos relacional, normalización. Ya establecidos los conceptos se comenzaron a explicar las formas de normalización a través de la utilización de ejemplos, aunque también se tuvo en cuenta las reglas de Codd, este documento fue utilizado para estudios anteriores a definir un diseño de base de datos relacionales. (Falcón E. 2010). METODOLOGÍA Para el desarrollo de esta investigación se trabajó por etapas. El primer paso fue una consulta bibliográfica, después de esto se estableció el tema sobre el que se trabajaría y se definieron los objetivos. Posteriormente se pasó a definir un diseño para el SIG, basándonos en la metodología elaborada por el American National Standard Institute-Standards Planning and Requirements Committee (ANSI-SPARC) que establece 4 niveles: Exterior, Conceptual, Lógico e Interno; y ajustando los mismos al interés y necesidad del trabajo, del usuario o de la institución para la que se desarrollará, así como del área en que se trabajará. Por tanto, siguiendo estos aspectos, se estableció el diseño, que quedó conformado en tres fases: La primera fase fue de revisión y recopilación de la información; donde se analizó la información existente y se recopiló la información levantada, lo que permitió que se determinaran los métodos de representación espacial que se utilizarían y el tipo de base de datos. Siguiendo los niveles de la metodología de (ANSI-SPARC) esta etapa forma parte de lo que establecen como nivel exterior. La segunda fase fue la de organización y creación de la base de datos. En esta se convirtieron las tablas de formato Excel a formato *.dbf para trabajar con ellas en el SIG. Una vez hecho esto, se pasó a la determinación de las entidades y a establecer las relaciones (Entidad/Relación) utilizando la normalización. Esta etapa forma parte de dos niveles; el nivel conceptual que llega hasta la formación del diagrama Entidad/Relación, y el nivel lógico que es donde entra la creación de las tablas. La tercera fase, fue la de creación de las capas que, conjuntamente con las tablas, crearon la GeodataBases. También en esta fase se determinaron los mejores algoritmos de clasificación de imágenes para la selección de los ecosistemas marinos, su evolución y estado. Esta última fase no entra en ningún de los niveles establecido en la metodología de (ANSI-SPARC). Para la tercera fase de trabajo se utilizaron las capas existentes, producto a que las capas nuevas de esta fase serán desarrolladas más adelante en la implementación del diseño. Para este trabajo se utilizaron fotos del Google Earth e imágenes Landsat y los software y varios software de Sistemas de Información Geográfica. 135

8 Los métodos utilizados en la investigación fueron el método lógico deductivo, lógico inductivo y el método empírico, con técnicas de medición, comparación y el uso de la cartografía para el trabajo en la clasificación de imágenes y fotos aéreas y la representación cartográfica. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El primer resultado obtenido fue precisamente el establecimiento del diseño en tres fases, donde la información con que se contaba quedó organizada y guardada en una base de datos (Geodatabase_Jardines), que además de contener las tablas también contiene las 55 capas. Se creó un diseño de base de datos que fue de tipo relacional (Entidad/Relación), lo que permitió que se pudieran obtener nuevas informaciones que serán representadas espacialmente más adelante. Debido al tipo de diseño de base de datos utilizado, se establecieron 12 entidades y 11 relaciones. Tanto las entidades como las relaciones, así como el propio diseño de la base de datos, se muestran en la figura1. Las entidades establecidas para la base de datos son: Muestras (estaciones de muestreos) Punto. Líneas. Polígonos. Personas (los que levantan las información, la fuente de información) Líneas de investigación Especies. Hábitat. Comunidad. Uso. Ubicación. Características. 136

9 Figura 1 Diseño de la base de datos También hay que mencionar que con las 55 capas y las tablas que guarda la Geodatabase_Jardines, se realizó la representación de 25 mapas. Además de que se generara nueva información con las consultas hechas a la información existente, sólo que esta información se representara cartográficamente en futuros trabajos. Para las clasificaciones (Supervisada y No supervisada), se definió con qué Algoritmos se trabajaría.en la Clasificación No Supervisada se utilizó el algoritmo Isodata, mientras que para la Supervisada se utilizaron los tres Algoritmos del programa; Maximum Likelihood (Máxima Verosimilitud), Mahalanobis Distance (Distancia de Mahalanobis) y Minimum Distance (Distancia Mínima); con el objetivo de determinar qué algoritmo arrojaba mejores resultados. En la Clasificación Supervisada utilizando el algoritmo Maximum Likelihood se obtuvo un resultado para los ecosistemas terrestres muy parecido a la realidad, mientras que para los ecosistemas marinos no fue así, ya que agrupó en una misma clase dos tipos de ecosistemas. El algoritmo Mahalanobis Distance arrojó resultados muy parecidos al algoritmo Maximum Likelihood, por lo que estos dos algoritmos se recomiendan para ser usados en la Clasificación Supervisada de los ecosistemas terrestres. 137

10 Con el algoritmo Minimum Distance los resultados fueron similares para los dos tipos de ecosistema, tanto para los terrestres como para los marinos, por lo que es muy bueno para trabajar ambos ecosistemas y mucho mejor para trabajar los marinos, pues con este algoritmo se distingue cada tipo de ecosistema marino en clases diferentes. Estos resultado permitieron establecer que el algoritmo de Máxima Verosimilitud (Maximum Likelihood)se utilizaría para el trabajo con ecosistemas terrestres y para los ecosistemas marinos el algoritmo Mínima Distancia (Minimum Distance); mientras que para el trabajo con los dos ecosistemas juntos se utilizará este último algoritmo (Minimum Distancia) Por último se tomaron las capas que ya existían y, conjuntamente con las tablas, se colocaron en la Geodatabase_Jardines. Esta quedó constituida con 55 capas y 15 tablas, las cuales aumentarán al cierre del proyecto. (Ver figuraras 3 y 4) Figura 3 Imagen clasificada por el Algoritmo de Máximum Likelihood (Máxima Verosimulitud) Figura 4 Imagen Clasificada por el Algoritmo de Minimum Distance (Distancia Mínima) 138

11 CONCLUSIONES 1. El diseño del SIG quedó conformado por tres fases. 2. Se estableció el diseño de la base de datos (Base de datos Relacional) a través de Entidad/Relación, la misma cuenta con 12 entidades y 11 relaciones. 3. Los algoritmos a utilizar para la clasificación de las imágenes son el Maximum Likelihood para el trabajo con los ecosistemas terrestres y el Minimum Distancia para el trabajo con los ecosistemas marinos, en clasificación No Supervisada 4. Se creó una geodatabase para el Parque Nacional Jardines de la Reina que quedó conformada por 55 capas y 15 tablas. AGRADECIMIENTOS El desarrollo de esta investigación ha sido posible gracias a la información que fue levantada por los especialistas y técnicos del Centro de Investigaciones de Ecosistemas Costeros. También se quiere agradecer al Centro Regional de Enseñanza de Ciencia y Tecnología del Espacio para América latina y el Caribe, que posibilitó la preparación y desarrollo de esta investigación. BIBLIOGRAFÍA BOSQUE SENDRA, J.; MORENO JIMÉNEZ, A. (2006) SIG y localización de instalaciones y equipamientos. Editorial RA-MA. Madrid. CABALLERO, J. (2005) Sistema de información Geográfica para la gestión ambiental en el municipio Plaza de la Revolución. Mapping Interactivo, Núm. Diciembre Enero, egeocampus, España. CENTRO NACIONAL DE ÁREAS PROTEGIDAS. MINISTERIO DE CIENCIA, TECNOLOGÍA Y MEDIO AMBIENTE. (2006). Introducción al uso de MapInfo como herramienta para la cartografía y planificación del manejo de las áreas protegidas. La Habana. Cuba. CENTRO REGIONAL DE ENSEÑANZA DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL ESPACIO PARA AMÉRICA LATINA Y EL CARIBE. ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES UNIDAS. ( ). Curso de percepción remota y SIG. Tonantzintla. Puebla. México. (Inédito) CHUVIECO, E. (2002). Teledetección Ambiental. Ariel. Barcelona. DOGLIOTTI, A.; BAVA, J. (2002). Teledetección con imágenes satelitales: generalidades. IAFE. Buenos Aires. Falcón, E. (2011) Diseño y normalización de base de datos relacionales. The evangelist. Consultado en: http// info.htm. El 24 de mayo del

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