Departamento de Geografía Física y AGR Universidad de Sevilla

Transcripción

1 1. Componentes de la información geográfica 2. Modelos de datos: raster y vectorial 3. La estructura de datos raster 4. Aspectos claves de los datos raster 5. La Georreferenciación 6. Escala y Resolución 7. Organización de los datos raster 8. La diversidad de tipos de datos raster Joaquín Márquez Pérez (jmarper@us.es), Esperanza Sánchez Rodríguez (esanchez@us.es) y Víctor Rodríguez Galiano (vrgaliano@us.es) Departamento de Geografía Física y AGR Universidad de Sevilla

2 Componentes de la información geográfica Dato convencional Unidad observación Entidad sobre la que se observa un fenómeno o se efectúan mediciones Variable o atributo temático Cualquier hecho observado que adopte diferentes modalidades en cada observación EDAD TIPO FORMA Fuente: Ismael Vallejo

3 Componentes de la información geográfica Concepto de dato geográfico Cualquier dato que contenga una referencia implícita o explicita a una localización.

4 Componentes de la información geográfica Concepto de dato geográfico Un dato geográfico georeferenciado esta ligado a unas coordenadas que lo relacionan con una ubicación concreta.

5 Componentes de la información geográfica Qué sé de esta entidad? Donde está? y x 5

6 Componentes de la información geográfica Qué más sé de esta entidad? Qué es? Casa 6

7 Componentes de la información geográfica Componente espacial Información geográfica: Componente temática 7

8 Componentes de la información geográfica Que más sé de esta entidad? Cómo se relaciona espacialmente con otras entidades? 8

9 Componentes de la información geográfica Información geográfica: Componente espacial Localización absoluta Localización relativa (Topología) Componente temática 9

10 Modelos de datos: raster y vectorial Un modelo es una representación simplificada de la realidad, una abstracción del mundo real que incorpora al modelo tan solo aquellas propiedades que son importantes, en función de un determinado objetivo. Población Vías de comunicación Parcelas y límites Topografía Usos del suelo Mundo real El modo de representar la información geográfica pretende: Abstracción del mundo real Ser fiel a la realidad (localización y exactitud temática) Optimizar el espacio Maximizar la adecuación de acuerdo al análisis que se va a realizar

11 Modelos de datos: raster y vectorial Concepto de estructura vectorial Representación de los objetos espaciales codificando explícitamente sus fronteras Para codificar las fronteras de los objetos espaciales, se almacenan sus coordenadas Realidad (objeto) Fronteras (segmentos) Vectorización (coordenadas)

12 Modelos de datos: raster y vectorial Concepto de estructura vectorial Los 3 elementos primarios para la representación vectorial de un objeto espacial son: Punto Línea Polígono Punto Bosque Casa Polígono Río Línea Mundo real Estructura vectorial

13 Modelos de datos: raster y vectorial Tipos de estructuras vectoriales Estructura vectorial 1. Lista de coordenadas (estructura espaghetti) 2. Diccionario de vértices 3. Estructuras DIME 4. Formato Arco-Nodo Otras estructuras vectoriales 4. TIN 5. Vectorial de isolíneas

14 Modelos de datos: raster y vectorial Tipos de estructuras vectoriales IV. Formato Arco-Nodo Es la estructura más característica de los SIG vectoriales Arco: Sucesión de segmentos rectos entre dos nodos Nodo: Cada vértice en el que se cruzan 3 o más arcos, o el vértice terminal de un arco. Utilizada en ArcGIS En esta estructura se especifican relaciones topológicas: Las líneas que están conectadas. Los segmentos que delimitan un polígono. Los polígonos que son contiguos.

15 Modelos de datos: raster y vectorial Tipos de estructuras vectoriales IV. Formato Arco-Nodo Coordenadas de arcos Arco X, Y inicial X, Y media X, Y final a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 40, 60 70, 50 10, 25 40, 60 10, 25 30, 20 55, 27 70, 60 70, 10; 10, 10 10, 60 30, 50 20, 27; 30, 30; 50, , 15; 40, 15; 45, 27 70, 50 10, 25 40, 60 30, 40 70, 50 30, 20 55, 27 Topología de Polígonos Polígono A B C Arcos a1, a5, a3, -a4 a2, a5, -a6, -a7 a7 Topología de nodos Nodo N1 N2 N3 N4 N5 N6 Arcos a1, a3, a4 a1, a2, a5 a2, a3, a5 a4 a6 a7 Arco a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 Nodo inicial N1 N2 N3 N4 N3 N5 N6 Topología de arcos Nodo final Pol. izq Pol. der N2 N3 N1 N1 N2 N5 N6 E E E A A B B A B A A B B C

16 Modelos de datos: raster y vectorial Concepto de estructura ráster Diferencias con la estructura vectorial: Estructura ráster: Codifica el interior del objeto Estructura vectorial: Codifica las fronteras o límites del objeto Realidad

17 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas y desventajas de los modelos Ráster y Vectorial VENTAJAS RASTER VECTORIAL Estructura de datos muy simple Elevada precisión Facilidad para representar fenómenos continuos (superficies) Facilidad de integración con software CAD vectoriales Alta capacidad para superposición y Mapas de elevada calidad combinación de capas Capacidad de realización de análisis Capacidad de realizar análisis de redes estadísticos espaciales Capacidad de integrar datos de satélite Estructuras con topologías (arco-nodo) Capacidad de incorporación de imágenes Ficheros de bajo tamaño (datos compactos) DESVENTAJAS RASTER VECTORIAL Baja precisión (según el tamaño de pixel) Estructuras de datos complejas Dificultad de integración con CAD Dificultad para representar fenómenos continuos (superficies) Mapas de menor calidad Menor capacidad para combinar capas Incapacidad para realizar análisis de redes Incapacidad de realizar análisis estadísticos espaciales Estructuras de datos sin topología Dificultad para integrar datos de satélite Ficheros de gran tamaño Incapacidad para el tratamiento de imágenes

18 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas estructuras ráster Son estructuras muy simples MDE Foto Satélite Usos suelo

19 Modelos de datos: raster y vectorial Desventajas de las estructuras vectoriales Estructura de datos compleja (formato DIME, arco-nodo) Coordenadas de arcos Arco X, Y inicial X, Y media X, Y final a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 40, 60 70, 50 10, 25 40, 60 10, 25 30, 20 55, 27 70, 60 70, 10; 10, 10 10, 60 30, 50 20, 27; 30, 30; 50, , 15; 40, 15; 45, 27 70, 50 10, 25 40, 60 30, 40 70, 50 30, 20 55, 27 Topología de Polígonos Polígono A B C Arcos a1, a5, a3 a2, a5, 0, a6, 0, a7 Topología de nodos Nod o N1 N2 N3 N4 N5 N6 Arcos a1, a3, a4 a1, a2, a5 a2, a3, a5 a4 a6 a7 Arc o a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 Nodo inicial N1 N2 N3 N4 N3 N5 N6 Topología de arcos Nodo final Pol. izq Pol. der N2 N3 N1 N1 N2 N5 N6 E E E A A B B A B A A B B C

20 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas de las estructuras ráster La superposición y combinado de mapas es simple (algebra de mapas) Superposición pixel a pixel Operaciones de algebra de mapas

21 Modelos de datos: raster y vectorial Desventajas de las estructuras vectoriales No permite análisis espacial y filtrado dentro de polígonos Mismo valor para todo el polígono Polígono simplifica realidad

22 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas de las estructuras ráster Permite diversos algoritmos y métodos para el análisis espacial Estadísticos de vecindad

23 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas de las estructuras ráster Permite diversos algoritmos y métodos para el análisis espacial Aplicación de estadísticos zonales a mapa ráster

24 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas de las estructuras ráster Facilidad para representar fenómenos continuos (superficies)

25 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas de las estructuras ráster Permite integrar imágenes de satélite

26 Modelos de datos: raster y vectorial Desventajas de las estructuras ráster Las estructuras ráster ocupan grandes volúmenes de datos 12 Puntos 180 Puntos

27 Modelos de datos: raster y vectorial Desventajas de las estructuras ráster Se puede producir perdida de resolución debido al tamaño de pixel Ráster 100m Mapa vectorial Ráster 50m

28 Modelos de datos: raster y vectorial Desventajas de las estructuras ráster Mapas ráster de baja-media resolución son menos vistosos que vectoriales

29 Modelos de datos: raster y vectorial Desventajas de las estructuras ráster Incapacidad para realizar análisis de redes Las líneas están representadas como sucesiones de pixeles; no se puede establecer conexiones, ni ver direcciones, etc.

30 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas y desventajas de las estructuras vectoriales Buena representación de los objetos geográficos (Mapas muy precisos) Mapa geológico en formato vectorial Mucha precisión en la representación

31 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas y desventajas de las estructuras vectoriales Fácil descripción de la topología de redes y árboles

32 Modelos de datos: raster y vectorial Ventajas y desventajas de las estructuras vectoriales La combinación de datos vectoriales y ráster es complicada RASTERIZACIÓN VECTORIZACIÓN

33 La estructura de datos raster Concepto de estructura raster Malla regular de celdas georreferenciadas en la que cada celda representa un valor Los objetos geográficos no se representan por sus límites, sino por su contenido, quedando sus límites implícitamente representados Todo el espacio es dividido regularmente en celdas.[pixel] La posición de los objetos está definida por la fila-columna que ocupan las celdas que los definen. El área que representa cada celda define la resolución de la información. [Resolución Espacial] Mundo real Estructura ráster

34 La estructura de datos raster Proceso de rasterización: Superposición de una malla regular (p.e. cuadrados) a los objetos que queremos codificar en formato ráster Realidad: Objetos espaciales Superposición de malla regular de celdas Codificación del interior de objetos mediante valores num. Problema: Precisión en la definición de los objetos (o fronteras)

35 La estructura de datos raster Serie de celdillas, ordenadas de izquierda a derecha y de arriba a abajo, que conforman una malla de filas y columnas. Cada celdilla contiene un valor numérico que representa el valor que toma la variable objeto de estudio (sea cuantitativa o cualitativa) en la superficie representada por la celdilla La selección del tamaño del pixel es muy importante e influye en: -Nivel de detalle (escala de trabajo) -Volumen de datos Las coordenadas vienen expresadas en filas y columnas y el origen de las mismas se encuentra en el ángulo superior izquierdo. Se asignan valores a cada pixel, incluso si no hay información temática asociada (NODATA).

36 La estructura de datos raster La TOPOLOGÍA está implícita en la regularidad de la rejilla, de manera que conocemos sin dificultad cuales son los vecinos de cualquier elemento Los ATRIBUTOS TEMÁTICOS: cada una de las variables temáticas se almacena como una capa independiente (una matriz numérica). C (n. columnas) = 10 F (n. filas) = 9 f(i,j) = f(7,3) = 32

37 La estructura de datos raster Todas las celdillas tienen igual forma y tamaño. Su forma rectangular, aunque también podría ser hexagonal o triangular suele ser cuadrada o El tamaño al que corresponde una celdilla del raster en la realidad se llama RESOLUCIÓN ESPACIAL. Como las celdillas suelen ser cuadradas, se indica mediante la longitud de uno de los lados del cuadrado. Para aumentar la resolución espacial de un raster es celdillas, manteniendo uniforme su extensión necesario aumentar el número de La resolución aumenta al doble El número de celdillas se cuadruplica 10 x 10 celdillas de 10 * 10m. 100celdillas 20 x 20 celdillas de 5 * 5 m. 400celdillas Este aumento de la resolución implica un gran aumento del volumen de información almacenada.

38 La estructura de datos raster Cuando se encuentran muchas celdillas adyacentes con igual valor, se puede reducir el espacio de almacenamiento usando técnicas de compresion El método de compresión RLE ( Run Length Encoding ) es utilizado por muchos formatos de imagen (BMP, PCX, TIFF). Se basa en la repetición de elementos consecutivos. El principio fundamental consiste en codificar un primer elemento al dar el número de repeticiones de un valor y después el valor que va a repetirse. Por lo tanto, según este principio, la cadena AAAAAHHHHHHHHHHHHHH cuando está comprimida da como resultado "5A14H". La ganancia de compresión es (19-5) / 19, es decir, aproximadamente 73,7%. Sin embargo, cuando cada celda tiene un valor diferente de los que la rodean (superficies), la imagen no debe compactarse, ya que ocuparía aún más espacio: para la cadena "CORRECTLY", donde hay poca repetición de caracteres, el resultado de la compresión es 1C1O2R1E1C1T1L1Y. Por lo tanto, la compresión genera un costo muy elevado y una ganancia de compresión negativa de (9-16) / 9, es decir, - 78%!

39 La estructura de datos raster La gran ventaja del raster respecto al modelo vectorial es que no es necesario describir explícitamente las coordenadas de cada elemento porque el espacio está subdividido en unidades de igual tamaño (celdillas). Para conocer la situación de cada celdilla basta con localizar el número de fila y columna en que se ubica, siempre que se conozcan: las coordenadas de alguna de las esquinas, y el tamaño del píxel. Estos dos datos deben acompañar a cada archivo raster, ya sea en otro archivo, que se denomina de cabecera, o bien dentro del principal, dependiendo del format.

40 La estructura de datos raster Filas Columnas Y máxima = Tamaño del píxel : 15 * 15 m. Y mínima = Fila 6, Columna 5 Coordenadas de la esquina superior izquierda ETRS89 UTM 30N X mínima = X máxima = Las coordenadas del centro del píxel secalculan: Coordenada X = (4.5 * 15) = Coordenada Y = ( 5.5 * 15) = Coordenada de la esquina Tamaño del pixel Posición en fila o columna del punto que meinteresa ETRS89 UTM30N

41 UTM Proyección cilíndrica transversal de Mercator Proyección cilíndrica transversal conforme Mínima distorsión a lo largo de su meridiano central (conserva la escala)

42 UTM Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM) No es una proyección en sí misma sino más bien un sistema basado en la proyección Transversal de Mercator El globo está dividido en 60 franjas de 6º de longitud y 8º de latitud cada una (husos). Cada franja tiene su meridiano central. Los límites de cada zona son 84º al N y 80º al S, ocurriendo la división entre N y S en el ecuador Diseñada para que el error de escala no exceda el 0,1 % dentro de cada zona (mínima distorsión) Cada huso se divide en 20 bandas entre paralelos, denominadas de sur a norte con las letras de la C a la X

43 UTM Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM)

44 UTM Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM) España se sitúa en su mayoría en la zona 30N, y tiene como meridiano central el de -3º

45 UTM Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM) Para la localización horizontal (Este-Oeste), el origen será el meridiano central de cada zona UTM, es decir, los meridianos de longitud 3º, 9º, 15º, 21º. Dicho meridiano tendrá para nosotros coordenada 500 Km Este. Para localización vertical (Norte-Sur), el origen será el ecuador (latitud 0º). Si nos situamos en el hemisferio Norte el ecuador tendrá para nosotros coordenada vertical 0. Si nos situamos en el hemisferio Sur, el ecuador tendrá para nosotros coordenada vertical Km

46 UTM

47 La estructura de datos raster La resolución espacial de una capa raster es el tamaño de una celdilla sobre el terreno, es decir, en la realidad. El concepto de escala hace referencia al tamaño de la representación de un objeto en relación con su tamaño real. Indica el nivel de detalle con que se ha recogido la información. Tiene que ver con la visualización de los datos. Una misma capa raster, con la misma resolución espacial, puede representarse a diferentes escalas en función del tamaño al que se visualice cada celdilla.

48 La estructura de datos raster Mapa a escala 1: Imagen a escala 1: Resolución = 5 m. Imagen a escala 1: Resolución = 10 m. Cambio de escala Imagen a escala 1: Resolución = 10 m. Podemos cambiar la escala sin cambiar la resolución y viceversa. Aumentar el tamaño al que vemos una celdilla (la escala) no aumenta el nivel de detalle de la información. El nivel de detalle de la información contenida en un raster viene dado por su resolución espacial.

49 La estructura de datos raster En otros casos, como en el formato raster nativo de ArcGis (GRID), cada capa se integra en una carpeta separada, aunque existe una carpeta común para todas ellas (INFO): Debido a que los aspectos espaciales y temáticos se almacenan juntos en la imagen, la organización de los datos raster es mucho más simple que en el modelo de datos vectorial. La forma de organización más usual es mediante ficheros simples : los valores de cada variable se almacenan en ficheros separados (cada uno con su cabecera). Es el caso del programa Idrisi: Para algunos tipos de datos raster, como fotografías aéreas o imágenes de satélite, existe la posibilidad de ficheros RASTER MULTIBANDA un solo fichero que almacena para cada celdilla varios valores, que corresponden a distintas capas (llamadas BANDAS). Varios tipos de archivo soportan este formato, como por ejemplo TIFF, BIP, BIL, MrSid, etc

50 La estructura de datos raster Los tipos de datos que puede contener un archivo raster pueden clasificarse según diferentes criterios, como por ejemplo: En función del tipo de variable que representen: cualitativa o cuantitativa (discreta o continua)