8. Taller de Formación para sistemas de información geográficos. Ing. Bruno Rienzi Ing. Flavia Serra Ing. Raquel Sosa

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1 8. Taller de Formación para sistemas de información geográficos Ing. Bruno Rienzi Ing. Flavia Serra Ing. Raquel Sosa

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3 Conceptos fundamentales Taller de Formación en sistemas de Información Geográficos Nociones de Cartografía Mapas Qué es un mapa? Es una representación, a escala y sobre un medio plano, de una selección de entidades sobre la superficie de la Tierra (International Cartographic Association). La noción de mapa se utiliza en Matemática y Computación como una transferencia de información de una forma en otra, de la misma forma que un cartógrafo transfiere información desde la superficie de la Tierra a un papel. La elaboración de un mapa implica: Selección de entidades. Clasificación de entidades (ej. calles, vías de tren, autopistas, etc.). Escala (ej. visibilidad a determinada escala). Simplificaciones (ej. polilíneas en vez de curvas, eliminación de irregularidades, etc.). Exageraciones (ej. edificios que no se muestran a su escala real). Simbolizaciones (ej. avión para aeropuertos, color azul para el agua, etc.). Convenciones cartográficas (ej. Norte arriba). Tipos de Mapas: Topográficos. Muestran los contornos y relieves de entidades naturales o creadas por el hombre. Suelen ser usados como marco para mostrar otra información. 477

4 Temáticos: Muestran la distribución de un fenómeno sobre el territorio, como ser densidad de población, uso de suelo, vegetación, clima, etc. Modelos Modelado de la Tierra La Tierra tiene forma elipsoidal, ligeramente achatada en los polos. Tres modelos de la Tierra se utilizan para construir mapas: la esfera, el elipsoide y el geoide. La esfera y el elipsoide son volúmenes geométricos (el elipsoide se aproxima mejor). El geoide es un volumen irregular que se obtiene mediante mediciones. Es la mejor aproximación. 478 Elipsoides de Referencia Se definen mediante su radio semi-mayor (ecuatorial) y semi-menor (polar) o por la excentricidad (relación entre radio semi-mayor y achatamiento en los polos).

5 Se los denomina generalmente por su autor y año (ej. Clarke 1880). El elipsoide más utilizado es el WGS84. Datum El datum define el conjunto de parámetros que permite poner en relación un elipsoide con un geoide. Los parámetros incluyen el punto de contacto, los parámetros del elipsoide, el sistema de referencia, etc. Existen datums simples de tierra plana hasta complejos que describen tamaño, forma, orientación, campo gravitacional y velocidad angular de la Tierra. Los datums pertenecen al campo de estudio de la Geodesia. Diferentes países, zonas y organizaciones utilizan diferentes datums. Las coordenadas dadas en un datum erróneo pueden tener errores de cientos de metros. Tipos de Datums: Horizontales. Definen la relación entre la Tierra y las coordenadas horizontales (como latitud y longitud). Ej. NAD27, ED50. Verticales. Definen superficies de nivel, en base a mediciones sobre el nivel del mar y redes de nivelación o mediciones gravitacionales. Completos. Son tanto horizontales como verticales. Ej. WGS84 Coordenadas El proceso de asociar coordenadas absolutas a un punto de la superficie de la Tierra se llama georreferenciación. Para georreferenciar se utilizan coordenadas planas o geográficas. Las coordenadas planas cartesianas utilizan dos ejes ortogonales igualmente escalados, y cada punto del plano se define por sus coordenadas (x,y). Las coordenadas cartesianas de un punto del mapa dependen de la proyección cartográfica utilizada. Otro tipo de coordenadas planas son las coordenadas polares, que se utilizan para hacer proyecciones. Las coordenadas geográficas (o geodésicas) se definen por el par (latitud, longitud). Latitud. Medida de la distancia angular (entre 0º y 90 ) de un punto entre el Ecuador y su polo más cercano (ej. Uruguay se sitúa entre las latitudes 30º y 35º S). Longitud. Medida de la distancia angular (entre 0º y 180 ) de un punto y el Meridiano de Greenwich (ej. Uruguay se sitúa entre las longitudes 53º y 58º W). Malla de meridianos y paralelos. Paralelos. Líneas este-oeste de igual latitud paralelas al Ecuador y al eje de abscisas de un sistema cartesiano. Cada línea completa una circunferencia. Meridianos. Líneas norte-sur de igual longitud que conectan los polos. No son paralelos. Cada línea completa una semi-circunferencia. Mediciones angulares. 479

6 Se realizan en grados, minutos y segundos sexagesimales (notación DMS) o su equivalencia en grados decimales (notación DD). Ej (latitud S = ) Un grado de latitud son 110 km apróx. (varía levemente si se utilizan elipsoides). Un grado de longitud son 110 km en el Ecuador, pero varía sensiblemente dependiendo de la latitud. Proyecciones Proyección cartográfica 480 Es una relación biunívoca entre los puntos de la superficie curva de la Tierra y los puntos de una superficie plana (mapa). Se utiliza una malla de meridianos y paralelos para ubicar los puntos. Esto permite pasar de coordenadas geográficas a coordenadas planas. Las proyecciones distorsionan ángulos, direcciones, áreas, formas y distancias. Cada proyección se comporta mejor o peor respecto a alguna de estas propiedades. Existen tres tipos de proyecciones básicas: Planas o azimutales. Se hace pasar un plano tangente por un punto de contacto con el globo o secante en una circunferencia. Se proyectan los puntos en el plano, transformando las coordenadas geográficas en coordenadas polares, con el origen en el punto de contacto o en el centro. Cónicas. Se hace pasar un cono tangente al globo en una circunferencia (como un paralelo) o secante en dos circunferencias. Se proyectan los puntos en el cono, transformando las

7 coordenadas geográficas en coordenadas polares, con el origen en vértice del cono. Cilíndricas. Se hace pasar un cilindro tangente al globo en una circunferencia o secante en dos circunferencias. La proyección puede ser ecuatorial, transversa u oblícua. En el caso ecuatorial, se utilizan coordenadas cartesianas con el x igual a la longitud y la y en función de la latitud. También existen proyecciones modificadas que se basan en las anteriores y proyecciones no geométricas. Otra clasificación de proyecciones tiene en cuenta las propiedades que se preservan: Conformes. Preservan los ángulos (y forma en regiones pequeñas o medianas). Equivalentes. Preservan el área. Equidistantes. Preservan la distancia entre puntos dentro de determinadas líneas. De compromiso. No preservan ninguna propiedad, pero tampoco presentan grandes distorsiones. Una de las proyecciones más utilizadas es la de Mercator de tipo cilíndrica. UTM Universal Transverse Mercator (UTM) Es un sistema de referencia geográfico coordenado basado en coordenadas cartesianas. Utiliza la proyección transversa de Mercator. 481

8 Define 60 husos o zonas, cada una con 6º de longitud, que se extienden de la latitud 80º S hasta la 84º N, y 20 bandas de 8º de latitud, que se denominan con letras de la C a la X (sin I, ni O, ni Ñ). Cada huso tiene un meridiano central que tiene x=500km. El Ecuador tiene ordenada 0 en el hemisferio norte y km en el sur. Las coordenadas se miden hacia el este (x) y norte (y) en metros. Representación de Datos Geográficos -Raster Matriz bidimensional compuesta por pixels, en donde cada pixel posee un valor numérico que se representa visualmente con un color. Algunos usos: imágenes satelitales, fotos aéreas, cartografía digitalizada, etc. Ej1: en foto aérea, valor del pixel representa un color (vegetación=verde). Ej2: en imagen infrarroja satelital, valores del pixel puede ser nivel de humedad. Fig: Rasterización de un área 482

9 Representación de IG Raster Tipos de datos para los que los rasters son adecuados: Datos discretos (ej. uso del suelo). Datos continuos (ej. elevación, información espectral). Imágenes (ej. fotos, mapas escaneados). Usos Base de un mapa: primera capa sobre la que se superponen capas vectoriales. Ej. foto satelital (raster) + caminería (vectorial). Mapa de superficie: representa parámetros que varían continuamente sobre el terreno. Ejs. elevación, humedad, lluvias, densidad de población. 483

10 Digital Elevation Model (DEM): es un tipo de raster muy utilizado en donde el valor indica la altura del punto. A partir de un DEM pueden derivarse curvas de nivel. Mapa temático: clasificación de los pixels en clases o categorías. Ejs: en un raster de uso de la tierra, las clases pueden ser actividades económicas (agricultura, ganadería, forestación, etc.). 484 Raster como atributo: se utilizan fotografías de una característica (un edificio, una playa, etc.) como un atributo, que puede mostrarse junto con los atributos alfanuméricos. Vectorial Representación geométrica de características geográficas en forma precisa y compacta, utilizando puntos, líneas y polígonos. Algunos usos: representación de edificios, parcelas, tuberías, caminería, etc. Ej. capa vectorial de polígonos que representan padrones. Tipos de datos vectoriales Punto: Coordenadas (x,y). Multipunto: Conjunto de puntos. Línea o Polilínea: Secuencia de segmentos conectados que no se interceptan (caminos). Cada segmento se define por dos coordenadas (x,y): Los puntos consecutivos pueden definir un: Segmento de recta o una curva. Polígono: Conjunto de anillos. Cada anillo es: una serie cerrada de coordenadas (x,y) que define un area. Permite representar áreas con huecos o islas.

11 Representación de Datos Geográficos -Vectorial Líneas definidas por rectas o curvas Polígonos definidos mediante anillos Representación de Datos Geográficos -Triangular (TIN) Triangular Irregular Network (TIN): modelo eficiente y preciso (vectorial) para representar superficies continuas, construido en base a nodos distribuidos en forma irregular (con coordenadas x,y,z) y líneas conectoras que forman una red de triángulos. Algunos usos: análisis de elevación, pendiente, volúmenes, visibilidad desde un punto, etc. Suelen construirse a partir de un DEM, eligiendo puntos de interés en forma algorítmica. Permiten visualización 3D. 485

12 Comparación de Modelos Almacenamiento en Archivos Geo TIFF 486 GeoTIFF es un estándar de metadatos que permite incrustar información georreferenciada en un archivo de imagen TIFF. Es uno de los formatos más usados para rasters geográficos. La información incluye tipo de proyección, sistema de coordenadas, elipsoide, datum, etc.

13 Shapefile Formato creado por ESRI para almacenamiento de datos vectoriales. Es el formato de intercambio de información geográfica más utilizado. La geometría de una entidad se almacena como una figura geométrica definida por sus coordenadas vectoriales. Los tipos de figuras son punto, multipunto, polilínea y polígono. Cada shapefile almacena un conjunto de entidades de un mismo tipo. Los polígonos son representados como un conjunto de anillos. Un shapefile no se almacena en un solo archivo sino en varios archivos de diferente tipo. Los archivos requeridos son tres: archivo principal (.shp), archivo de índice (.shx) y archivo DBase (.dbf). Bibliografía GIS Basics. Fazal, S. New Age International Basic GIS Coordinates. Van Sickle, J. CRC A Primer of GIS. Harvey, F. Guilford Curso Introducción a SIG. In.Co, FING. 487

14 Introducción a las bases de datos geográficos 3.1 Introducción 488 Una Base de Datos es un conjunto de datos relacionados entre sí. Por datos entendemos hechos conocidos que pueden registrarse y que tienen un significado implícito (Elmasri- Navathe). Decimos, además, que una base de datos tiene las siguientes propiedades: 1. Representa una porción del mundo real (Dominio). 2. Tiene cierta estructura lógica y coherencia, que representan las reglas del dominio sobre el que se trabaja. 3. Toda base de datos se diseña, construye y puebla con datos para un propósito específico. Está dirigida a un grupo de usuarios y tiene ciertas aplicaciones preconcebidas que interesan a dichos usuarios. Por ejemplo, la base de datos de una biblioteca tendrá que registrar datos sobre libros, editoriales, socios y préstamos, entre otros. Entre sus reglas estará que solo se prestan libros a socios de la biblioteca. Los usuarios del sistema que trabajarán con esta base de datos serán los bibliotecarios y quizás se permita a los socios buscar datos sobre los libros en préstamo, pero no registrar nuevos préstamos. Esta es una definición abstracta y distante de las tecnologías. Sin embargo, nos deja claro que hay que realizar un proceso de definición de qué datos queremos que integren una base de datos y qué relación tienen entre ellos. Podríamos tener una base de datos con un fichero y cartones, al viejo estilo de las bibliotecas, que gestionaban todo su catálogo con tarjetas. La mayoría de los Sistemas de Información que usamos están gestionando información, esto es, manipulando datos: permitiéndonos ingresar datos, consultarlos, modificarlos, recuperarlos, borrarlos, etc. Como se ha incrementado la cantidad de usuarios que acceden a las distintas funciones a la vez, la gestión de los datos fue volviéndose más compleja para asegurar el acceso a los datos y su manipulación. Por esto, surgen metodologías y softwares especializados en el manejo de datos. Esta unidad está dividida en dos grandes partes. En la primera veremos qué es una Base de Datos y qué es un Sistema Gerenciador de Bases de Datos, qué funcionalidades nos brinda éste y cómo usarlo. En la segunda parte, desde la sección 5, veremos qué particularidades tienen los Sistemas Gerenciadores de Bases de Datos Geográficas y cómo usarlas Sistemas Gerenciadores de Bases de Datos Un Sistema Gerenciador de Bases de Datos es un software que nos brinda el servicio de gestión de varias bases de datos. Este sistema tiene diferentes usuarios: el Administrador del sistema gerenciador de bases de datos, que se encarga de la gestión de todas las bases de datos de la organización. Es el responsable de crear una nueva base de datos para una nueva aplicación, pero no es el experto del dominio sobre el que trabajará la base de datos.

15 el Diseñador que diseña cada base de datos para cada aplicación. Este usuario es el que estudia el dominio de aplicación sobre el que se trabajará para realizar un diseño de la base de datos que refleje la realidad con la que se quiere trabajar. los Programadores que crean los nuevos sistemas de información. Son los que realizan los programas que usarán los usuarios de los sistemas de información. En base a lo que los usuarios necesiten tendrán que escribir las órdenes que manipulen los datos de la base de datos: cuando se ingresan, modifican, borran y cómo se consultan (por ejemplo, qué reportes brindará el nuevo sistema de información) Qué ventajas nos ofrece un SGBD? Un Sistema Gerenciador de Bases de Datos se instala en un solo equipo (servidor) y puede administrar muchas bases de datos de diferentes dominios. Por ejemplo, en una empresa tendrían en el mismo servidor las bases de datos de contaduría, clientes, personal, productos, etc. Esto permite que, a la hora de planificar la seguridad de la información, esté toda centralizada (por ejemplo, respaldos, definir seguridad, administrar conexiones). Además el SGBD nos permite definir un esquema de seguridad (con usuarios y claves), de forma que los datos de una base de datos solamente sean accedidos por los usuarios que deben accederlos; e incluso lo mismo para la modificación de los datos. Al centralizar todas las bases de datos, se economiza en recursos de gestión: Evitando la duplicación de datos la organización sabe dónde están todos sus datos a la hora de desarrollar una nueva aplicación (por ejemplo, evitando que dos departamentos tengan datos por separados de clientes, les brindamos una base de datos integrada). Asegurando la consistencia de los datos si dos usuarios acceden a la vez a los mismos datos, el SGBD nos brinda los mecanismos para que los datos se mantengan consistentes (por ejemplo, dos retiros simultáneos en una cuenta bancaria siempre dan un saldo correcto). Aplicación de las reglas el SGBD tiene los mecanismos para que se aplique a la base de datos las restricciones que se definen para los datos. Por ejemplo, los números de Cédula de Identidad son únicos para cada persona. Teniendo un punto para centralizar la seguridad de los datos nos podemos asegurar que solamente accedan a los datos los que deban hacerlo. Teniendo un solo lugar para respaldar los datos al tener todo en un servidor, se pueden asegurar mecanismos de respaldo y seguridad de la información. Ante cualquier caso de falla de software o hardware un SGBD tiene mecanismos para recuperar la información de respaldos realizados previamente Qué componentes tiene un SGBD? Un SGBD tiene componentes que se especializan en diferentes tareas. 1. Definición de las Bases de Datos nos brinda un lenguaje para crear las bases de datos, su estructura y definir las restricciones sobre los datos. A este lenguaje se le llama Data Definition Language (DDL) y está pensado para ser usado por un administrador o diseñador de bases de datos. 2. Manipulación de los Datos en las Bases de Datos nos permite agregar datos a las bases de datos, modificarlos y borrarlos. Este lenguaje es llamado Data Manipulation Language 489

16 (DML). Está pensado para ser usado por los programadores y las aplicaciones que tienen permiso para modificar los datos. 3. Resolución de consultas a las Bases de Datos nos permite obtener reportes de los datos en la base de datos. El lenguaje usado se llama Query Language (QL) y el módulo que resuelve las consultas está optimizado para realizarlas del modo más eficiente. La mayoría de los SGBD tienen una interfaz gráfica para que el administrador pueda realizar sus tareas en forma visual. Sin embargo, para permitir el acceso a otros usuarios, ofrecen una conexión de red a través de la cuál reciben comandos y brindan las respuestas pedidas. Dicha conexión también aplica los mecanismos de seguridad a través de usuarios y claves para conectarse a una base de datos en particular Diseño de una Base de Datos 490 Antes de crear una base de datos, tenemos que estudiar qué porción del mundo vamos a representar en esta base de datos. Esto se hace relevando la aplicación para la que se usará esta base de datos. Por ejemplo, serán diferentes los datos a considerar para un sistema contable que para un sistema de bibliotecas o un sistema de bedelías. En la primera etapa es importante entender qué información vamos a guardar en la base de datos y qué reglas tiene que cumplir esta información, esto es, qué restricciones tenemos. A esta etapa le llamamos Modelado Conceptual porque realizamos el modelo que representará a la realidad, independientemente de cómo se guardará esto luego en el SGBD elegido. En una segunda etapa, el diseñador de la base de datos traslada el modelo conceptual al diseño físico. Esto es, el diseño de la estructura de la base de datos tal y como se la definirá en el SGBD elegido. En esta sección tomaremos el caso de la Bedelía para los ejemplos que veremos Modelado Conceptual El modelado conceptual se realiza siguiendo la metodología conocida como Modelo Entidad-Relación MER. En esta metodología se trabaja para identificar las Entidades de la realidad que nos interesa. Esto es, los conceptos del mundo real que vamos a representar. Por ejemplo, en un sistema de Bedelías, los Estudiantes y los Cursos son algunas de las entidades a considerar. Una Relación interesante es la inscripción que cada estudiante realiza a un curso en algún semestre. Luego de identificar las Entidades que nos interesan tenemos que identificar qué Atributos de la realidad nos interesa registrar para las diferentes entidades. En la representación gráfica, las Entidades las ponemos en un rectángulo y sus atributos van vinculados al rectángulo. En el caso de la bedelía, por ejemplo, es importante saber el nombre y la cédula de los estudiantes, pero no es de interés su grupo sanguíneo (lo que sí sería de interés si la base de datos fuese a ser pensada para un hospital o una emergencia móvil). En general, para cada entidad se destaca un atributo (o una combinación de atributos) que decimos que lo identifica, esto es, que es único para cada Entidad (no hay dos que tengan el mismo valor). En nuestro caso, para los Estudiantes es la cédula de identidad y para los cursos es un código. En

17 la notación gráfica, estos atributos se distinguen subrayándolos. Luego de identificar las Entidades y sus Atributos tenemos que ver qué Relaciones hay entre las Entidades. Puede suceder, además, que las Relaciones tengan Atributos interesantes para registrar. Las relaciones se ponen en rombos y sus atributos se anotan en forma similar a los atributos de las entidades. En nuestro ejemplo, la relación Inscripción tiene una fecha asociada (el semestre y año en que el estudiante realiza el curso) y la calificación que obtiene al terminar el curso. También tenemos que reconocer las cardinalidades de la relación. En este caso un estudiante se puede inscribir a muchos cursos y en un curso se inscriben muchos estudiantes. Por ejemplo, si la Materia del Curso fuera otra entidad tendríamos que un curso solo puede pertenecer a una Materia (lo que nos da una regla de la realidad que tenemos que reflejar en las restricciones). En la siguiente figura vemos cómo queda la sección del Modelo Conceptual que hemos tomado como ejemplo. El Modelo Entidad-Relación permite expresar algunas relaciones específicas entre entidades con una notación propia. Para profundizar en esto pueden consultar el capítulo 3 del libro Sistemas de Bases de Datos, Conceptos Fundamentales, que pueden encontrar entre los materiales complementarios Diseño Físico El diseño físico de la base de datos implica definir su estructura en los términos que se manejan en el SGBD. Los SGBD actuales se basan en el Modelo Relacional para definir la base de datos. En este modelo, tanto las Entidades como las Relaciones se representan con tablas. De acuerdo al uso que se le vaya a dar a la base de datos, hay diferentes técnicas para representar las relaciones. Por ejemplo, en el caso de la bedelía, un listado común será Obtener Todos los Estudiantes Inscriptos a un Curso en un año al igual que Todos los cursos que realizó un estudiante. Por esto, se guardará en una tabla todos los estudiantes, en otra todos los cursos y en una tercer tabla las Inscripciones de los Estudiantes a los Cursos. Esta será una tabla de Relación. Por razones de optimización de espacio, se suelen usar códigos que identifiquen a los cursos y a los estudiantes (puede ser el número de cédula). De este modo, en la tabla de inscripciones se guardan solo estos códigos y no todos los datos de las entidades que estoy relacionando. A la hora de pasar los atributos al diseño físico tenemos que decidir qué tipo de datos se corresponde para cada atributo. Por ejemplo, los nombres serán textos, los códigos pueden ser solamente numéricos o pueden incluir letras, las fechas pueden tener diferentes grados 491

18 de exactitud. Los SGBD nos brindan un conjunto básico de tipos de datos que incluyen: Numéricos (números positivos, enteros, reales, etc.). Fechas Tiempo (hasta detalles de horas, minutos y segundos). Caracteres, Textos. Booleanos (verdadero/falso). Estos tipos de datos pueden variar sus nombres específicos de un SGBD a otro, pero el conjunto mencionado es la base para todos. En el diseño físico de la base de datos decimos que los atributos son las columnas (o campos) de las tablas y, cuando se ingresen datos, cada registro representará una fila en la tabla. El SGBD también nos brinda mecanismos para definir las restricciones que podamos tener en nuestro dominio y se encarga de controlarlas. De este modo, nos aseguramos que los datos que se ingresan luego a la Base de Datos cumplen estas restricciones. Por ejemplo, en el caso de la Bedelía, tendríamos la restricción de no aceptar una inscripción para una cédula que no pertenezca a un estudiante. A continuación, vemos cómo queda el diseño físico (la definición de las tablas) del caso que tenemos de ejemplo. Definimos cada Entidad como una Tabla y, en este caso, la relación también es una tabla (en otros casos se pueden tomar otras alternativas de diseño). Para cada tabla definimos los Atributos como campos (o columnas). Tabla: Estudiantes Campos: cedula numérico nombre caracteres (string) fecha_ingreso fecha Tabla: Cursos Campos: codigo numérico nombre caracteres materia caracteres Tabla: Inscripciones Campos: codigo_curso numérico cedula_estudiante numérico fecha_inscripcion fecha calificacion numérico Hay que notar que en la tabla de inscripciones agregamos dos atributos (campos) que no aparecían en el Modelo Conceptual. Estos dos campos son los que nos permiten relacionar la Inscripción a las otras dos tablas (es decir, a las Entidades que participan en la relación) Operaciones sobre una Base de Datos En esta sección nos centraremos en las operaciones centrales a realizar en una base de datos. Veremos también el lenguaje SQL (Structured Query Language), que es el lenguaje estándar para trabajar con bases de datos. Cada SGBD puede variar en algún detalle las instrucciones, pero todas tienen que brindar, al menos, lo presentado en el estándar SQL.

19 Creación de la Base de Datos Luego de crear una base de datos en un SGBD tenemos que crear su estructura y sus restricciones. Se definen las tablas que tendrá la base de datos (de acuerdo al diseño físico realizado) y los campos que tendrá cada tabla (con su tipo de datos). Por ejemplo, los documentos se guardan en campos numéricos positivos. Luego se definen las restricciones que se impondrán a los datos. Las restricciones pueden ser de distintos tipos: De clave primaria se define qué campo será clave para la tabla. Esto es, el campo que identifica un registro y no pueden haber dos registros con el mismo valor. Por ejemplo, la cédula podría ser clave en una tabla de personas. De clave foránea se define una referencia a otra tabla. Esto nos permite establecer las relaciones, ya que establecemos que un campo de una tabla es igual a otro campo de otra tabla. Por ejemplo, las inscripciones de un estudiante. De cardinalidad en los casos de tablas de relación, se puede limitar la cantidad de elementos participantes. Por ejemplo: una maestra no puede tener más de 30 alumnos en una clase. Estas tareas se realizan una sola vez y es raro que la estructura de la base de datos se modifique a lo largo del tiempo. Los SGBD generalmente cuentan con herramientas gráficas para asistir en estas tareas a los usuarios, aunque muchos prefieren usar las instrucciones directamente. En el caso de ejemplo que estamos manejando, se define que la cédula es la clave para la tabla de Estudiantes y que el código es la clave para la tabla de Cursos. Además, definimos claves foráneas en la tabla de inscripciones para vincular los datos de la inscripción al estudiante y el curso correspondiente. A continuación, vemos las instrucciones de creación de nuestra base de datos de ejemplo, para el SGBD PostgreSQL. Las opciones que se agregan a la instrucción CREATE DATABASE nos permite definir opciones de codificación, por ejemplo, si las fechas serán al estilo usual o MM-DD-YYYY (al estilo de EEUU) CREATE DATABASE prueba WITH OWNER = postgres ENCODING = UTF8 LC_COLLATE = English_United States.1252 LC_CTYPE = English_United States.1252 CONNECTION LIMIT = -1; Luego, creamos las tablas de entidades: Estudiantes y Cursos, con sus restricciones de clave primaria. CREATE TABLE estudiantes ( cedula numeric NOT NULL, nombre character varying, fecha_ingreso date, CONSTRAINT primary_key PRIMARY KEY (cedula) ); CREATE TABLE cursos ( 493

20 codigo numeric NOT NULL, nombre character varying, materia character varying, CONSTRAINT cursos_pkey PRIMARY KEY (codigo) ); Finalmente, creamos la tabla de la relación Inscripciones, donde definimos las columnas, sus tipos y las claves foráneas. Las columnas no tienen que llamarse igual en la tabla de relación y la tabla de entidad (por ejemplo la cédula). Sin embargo, al establecer la clave foránea, decimos que solamente se puede agregar un registro en inscripciones si los datos que se agregarán ya existen en Estudiantes y Cursos. CREATE TABLE inscripciones ( codigo_curso numeric, cedula_estudiante numeric, fecha date, calificacion numeric, CONSTRAINT inscripciones_cedula_estudiante_fkey FOREIGN KEY (cedula_estudiante) REFERENCES estudiantes (cedula) MATCH SIMPLE ON UPDATE NO ACTION ON DELETE NO ACTION, CONSTRAINT inscripciones_codigo_curso_fkey FOREIGN KEY (codigo_curso) REFERENCES cursos (codigo) MATCH SIMPLE ON UPDATE NO ACTION ON DELETE NO ACTION ) Ingreso y Modificación de los Datos Para la manipulación de datos se definen tres operaciones: Insert agrega nuevos datos. Update modifica (actualiza) los datos existentes. Delete borra datos. Para las últimas dos operaciones podemos definir condiciones que nos permitan elegir qué datos vamos a actualizar o borrar. A continuación, vemos la notación de estas operaciones en el lenguaje SQL estándar sobre el ejemplo que venimos viendo de bedelías. 494 INSERT INTO ESTUDIANTES(cedula, nombre, fecha_ingreso) VALUES ( , Juan Pérez, ). En esta instrucción agregamos a la tabla estudiantes los valores que aparecen en la segunda línea, creando un nuevo registro en la tabla (una nueva fila). UPDATE ESTUDIANTES SET nombre= Juan Pérez López

21 WHERE cedula = En esta instrucción actualizamos la tabla Estudiantes, asignando un nuevo valor al nombre del estudiante que cumple la condición de tener cedula Las condiciones se especifican luego de la palabra clave WHERE y son sentencias lógicas. Notar que en la línea del SET el operador de = se usa para asignar un valor, mientras que en la línea del WHERE se usa para realizar una comparación lógica. DELETE FROM ESTUDIANTES WHERE cedula = En el momento que un estudiante se recibe dejará de ser estudiante, por lo que podemos querer borrarlo de la tabla en la que tenemos a los estudiantes. Esto lo haríamos con la última instrucción especificando, como en el caso anterior, la condición por la que buscaremos los registros a borrar. Si no ponemos la sección WHERE se borrarán los datos de todos los estudiantes Consulta sobre los datos La consulta sobre los datos de una base de datos es la operación que más se usa. Se pueden hacer consultas simples para obtener listados (por ejemplo, obtener el listado de todos los clientes o de todos los alumnos). También se pueden realizar consultas más complejas relacionando datos de diferentes tablas e, incluso, aplicando condiciones que filtren los datos. Por ejemplo: obtener todos los alumnos de un curso específico (supongamos código 3333) que sean de una generación menor a la Todos los SGBD soportan el lenguaje de consulta estándar llamado SQL: Structured Query Language. Una consulta en este lenguaje tiene la siguiente estructura general: SELECT [lista_de_atributos] FROM [lista_de_tablas] WHERE [lista_de_condiciones_lógicas] Además de esta forma básica, se pueden extender las consultas para agrupar los datos obtenidos u ordenarlos por algún criterio. Para profundizar sobre el lenguaje de consultas SQL les recomendamos el siguiente tutorial W3C Schools - SQL Tutorial ( En el ejemplo que trabajamos sobre Bedelías, la consulta mencionada sería: SELECT estudiantes.nombre, estudiantes.cedula FROM estudiantes, inscripciones WHERE inscripciones.cod_curso=3333 AND inscripciones.cedula_estudiante = estudiantes.cedula AND estudiantes.fecha_ingreso > Como tarea opcional, les propongo visitar la siguiente página y probar las consultas que allí aparecen. Cualquier duda que tengan la charlamos en el foro Bases de Datos Geográficas El Open Geospatial Consortium (OGC) define un modelo de datos para representar de

22 forma estándar los datos geográficos. De este modo, tenemos formatos claramente establecidos para trabajar con datos geográficos, manipularlos, intercambiarlos y consultarlos. Esto lo podemos encontrar en el estándar Simple Features Standard (SFS), que fue propuesto por el OGC y ya es un estándar ISO. Este estándar se divide en una arquitectura común básica (Parte 1) y su guía de implementación en SQL (Parte 2). Simple Feature se puede traducir al español como Entidad Geográfica, ya que estamos considerando que una Feature es una Entidad, pero tiene un componente geográfico. Este estándar se centra en la información geográfica vectorial, ya que la información ráster se considera como una estructura de matriz, que es bien conocida. Pensando en otro caso de estudio, podemos considerar un dominio muy simplificado de catastro, donde interesa registrar los padrones y sus dueños. A continuación, se ve una propuesta de modelo conceptual donde, en los padrones, nos aparece un nuevo atributo: la geometría que representa los límites del padrón. Ahora en la relación dueños tenemos dos fechas como atributo, ya que un padrón puede venderse y pasar a otro dueño, queremos registrar el período de fechas Estándar para Bases de Datos Geográficas 496 En la arquitectura general se define lo que entendemos por Datos Geográficos en abstracto y cómo se componen estos datos. En la siguiente figura vemos que consideramos a la Geometría como la figura más general, la que puede ser puntos, curvas, superficies o colecciones de geometrías (los triángulos indican subclases, es decir especialización. Un punto es

23 una geometría). Todo dato geográfico (sea del tipo que sea) está representado de acuerdo a un Sistema de Referencia Espacial: SRS. Por cada punto tendremos un conjunto de coordenadas (dependiendo si trabajamos en 2D o 3D) que se encuentran en relación a un Sistema de Coordenadas. El estándar SFS también define varios formatos para la representación de las geometrías Tipos de Datos En la práctica, algunos de los tipos de datos geográficos no se utilizan, sino que se definen para considerar las características más generales (decimos que son abstractos). El siguiente es un listado de los tipos de datos simples que sí se usan: Point representa un punto. Line es una línea representada por dos puntos. LineString es una línea representada por una secuencia de puntos. LinearRing es una línea que termina cerrándose. Polygon superficie plana definida por un linearring exterior y cero o más interiores. En la siguiente figura vemos algunos ejemplos de polígonos, algunos de ellos con huecos. Qué cosas podemos representar con cada tipo de dato geográfico ya lo vimos en el módulo anterior. Siguiendo con el nuevo ejemplo, el diseño físico de la base de datos sería: Tabla: Personas Campos: cedula numérico nombre caracteres credencial caracteres Tabla: Padrones Campos: numero numérico titulo caracteres geom geometry Tabla: Dueños Campos: numero_padron numérico cedula_dueño numérico fecha_inicio fecha fecha_fin fecha 497

24 Nuevamente tenemos las restricciones de clave primaria para cada una de las tablas de entidades (personas y padrones) y las restricciones de clave foránea en la tabla de relación dueños. Hay que destacar que aquí tenemos una entidad relacional típica (personas) y una entidad geográfica (padrones). Usando las herramientas de los SGBD podemos guardar los dos tipos de entidades en una sola Base de Datos y aprovechar todo el poder de las operaciones que vimos en la sección Operaciones 498 Como los datos geográficos son esencialmente geometrías, se definen operaciones específicas para medirlas, compararlas o analizar sus relaciones. Algunas de ellas ya nos son conocidas del módulo anterior. En la siguiente figura vemos la definición del estándar sobre todas las operaciones que se pueden realizar con una geometría. En particular, para analizar las relaciones espaciales entre dos geometrías tenemos las siguientes operaciones. Equals: las dos figuras son iguales. Disjoint: las dos figuras son disjuntas. Touches/Meets: las dos figuras tienen, al menos, un punto común en sus fronteras. Crosses: las figuras se cruzan (significado varía según figura). Within/Inside: la primera figura está adentro de la segunda. Contains: la primera figura contiene a la segunda. Overlaps: al menos un punto común en interiores, exteriores y fronteras. Con estas operaciones en la base de datos podemos hacer programas que hagan automáticamente el análisis SIG que se hace en una aplicación SIG de escritorio. La principal ventaja es que podemos hacer este procesamiento en un servidor de base de datos (que generalmente tiene mayor poder de cómputo que los PC de escritorio). Además de esto, podemos almacenar los datos geográficos en un servidor centralizado,de forma que todos los usuarios de la organización puedan compartirlos y acceder a lo último. Cuando trabajamos con archivos, si un usuario hace una actualización tiene que distribuir el archivo a todos los demás usuarios para que la tengan Estructura de la Base de Datos El estándar Simple Features for SQL define cómo se trabaja con estos nuevos tipos de datos y operaciones en un SGBD y en el lenguaje SQL. En particular, nos dice cómo tiene que ser una Base de Datos Geográfica. Se definen tres tipos de tablas: FEATURE_TABLE: Es toda tabla que almacena un conjunto de features (objetos geográficos). Corresponde al concepto de layer (capa geográfica). Cada fila es un objeto geográfico y cada columna es una propiedad de ese objeto. Una de esas columnas debe corresponder a la geometría de ese objeto. Por ejemplo, una capa de polígonos que representan ciudades

25 la representamos como una feature table Ciudad (nombre, país, población, geometría, gid). GEOMETRY_TABLE: Es toda tabla que almacena geometrías, en el caso que la feature table correspondiente no las almacene directamente. Cada fila posee un identificador geográfico (GID). GEOMETRY_COLUMNS: Tabla de metadatos que posee una fila por cada columna geometría de la base, con los siguientes atributos: ID de la feature table a la que corresponde la columna geometría. El nombre de la columna geometría. El SRID de la columna geometría. El tipo de geometría (Point, LineString, etc). La dimensión del SRS utilizado (2D, 3D, etc.). El ID de la geometry_table que almacena la geometría (podría ser la misma feature table). Además, se define una tabla especial SPATIAL_REF_SYS. Esta tabla es el diccionario de códigos de sistemas de referencia espaciales (SRS). Solamente es necesaria para hacer operaciones de re-proyección, pero resulta útil para consulta durante el desarrollo. Dentro de esta tabla, interesan particularmente los campos SRID y STEXT. En la sección llegamos a realizar un diseño físico de la base de datos geográfica que usaríamos para nuestro ejemplo de catastro. La tabla Padrones es lo que acabamos de definir como una Feature Table, ya que guarda los datos de una entidad geográfica y su geometría. En ese diseño no tenemos ninguna Geometry Table, porque la geometría se guarda en la tabla principal de la Feature. Para poder usar la base de datos geográfica tenemos que definir los detalles de la geometría que se guardará en el campo geom de la tabla Padrones. Esto lo hacemos agregando un registro a la tabla GEOMETRY_COLUMNS (esta tabla se crea al crear una base de datos geográfica). En este caso tenemos que agregar los siguientes datos: f_table_name = Padrones la tabla que contiene una entidad geográfica. f_geometry_column = geom. en qué columna está la geometría. coord_dimension = 2 cuantas dimensiones tiene. srid = el código del sistema de referencias (32712 es UTM 21 S). type = POLYGON el tipo de geometría que tenemos Caso de Estudio: PostGIS PostGIS es un sistema gerenciador de bases de datos geográficas, desarrollado como extensión del manejador Open Source PostgreSQL que cumple con la especificación vista. PostgreSQL es un sistema completo para administración de bases de datos muy usado y con un gran soporte de la comunidad, al igual que de muchas empresas. PostGIS se instala como un componente opcional al instalar un servidor PostgreSQL y se disponen de todas sus herramientas para trabajar con las bases de datos geográficas. Al utilizarlo como servidor, sus datos pueden ser accedidos desde diferentes lugares a la vez. Por ejemplo, como se ve en la siguiente figura, desde distintas aplicaciones y desde un Servidor de Mapas. Una de las aplicaciones clientes que puede conectarse con un servidor PostGIS es el Software gvsig. Esto nos permite tener todo el poder visual de gvsig, los geoprocesos que 499

26 gvsig nos ofrece y los datos guardados en un SGBD con las ventajas que éste nos brinda. La siguiente figura muestra la pantalla principal de administración de PostgreSQL con 500 PostGIS instalado. En esta imagen se ve la base de datos prueba que fue definida como una base de datos geográfica. Es por esto que la base de datos tiene muchas funciones definidas (Functions (685)). Además, vemos a la derecha la definición de la tabla de sistemas de referencias. Les propongo como desafío, para los que quieran probarlo, que se descarguen la versión para Windows de PostgreSQL y hagan la instalación en sus propias máquinas. La descarga de la versión 8.4 (la última estable) la pueden hacer desde la siguiente dirección: Para instalar PostGIS (que es una extensión) pueden consultar la página oficial de Post- GIS Bibliografía Sistemas de Bases de Datos, Conceptos Fundamentales R.Elmasri- S.Navathe. 4ta Edición Addison-Wesley Iberoamericana. ISBN-10: ISBN-13: SQL Tutorial W3C Schools - OpenGIS Implementation Specification for Geographic information - Simple feature access - Part 2: SQL option - PostgreSQL - PostGIS -

27 OGC Web Services 1.1 Introducción A medida que el análisis de datos geográficos se ha ido convirtiendo en una actividad necesaria dentro de múltiples disciplinas, también se ha ido incrementando la necesidad de compartir e intercambiar esos datos. Los estándares elaborados por el Open Geospatial Consortium (OGC) [1] son un elemento fundamental para que los desarrolladores puedan crear software que permita a los usuarios acceder y procesar datos geo-espaciales de múltiples y heterogéneas fuentes utilizando un conjunto de interfaces genéricas. Los servicios Web del OGC, denominados por su sigla OWS, están definidos utilizando principios fundamentales de una arquitectura orientada a servicios (Service Oriented Architecture, SOA). Dentro de esta arquitectura, podemos definir los conceptos de servicio, interfaz y operación de la siguiente manera: Un servicio es una funcionalidad que ofrece una entidad a través de interfaces. Una interfaz es un conjunto de operaciones que caracterizan el comportamiento de una entidad. Una operación es la especificación de una transformación o consulta que un objeto es capaz de ejecutar. Cada operación se caracteriza por su nombre y su lista de parámetros. Los OWS han sido definidos en base a estándares de Internet no propietarios tales como HTTP [2], URL, tipos MIME [4] y XML [3]. Más recientemente, los OWS han comenzado a definirse utilizando también otros estándares más específicos de los Web services empresariales tales como WSDL (Web Service Description Language) y SOAP, aunque aún no se han convertido en estándares. Dentro de los estándares de Web services definidos por OGC encontramos: Web Map Service (WMS), que permite la creación y visualización de mapas en base a superponer capas geográficas provenientes de múltiples fuentes remotas. [8] Web Feature Service (WFS), que permite que un cliente reciba y actualice datos geoespaciales codificados en el lenguaje GML (Geography Markup Language) desde múltiples fuentes remotas. [6] Web Coverage Service (WCS), que permite a un cliente acceder a cierta parte de una capa raster ofrecida por el servidor (codificada en algún formato de imagen binario). Catalogue Service for the Web (CSW), que define interfaces para descubrir, navegar y consultar metadata sobre datos, servicios y otros recursos potenciales. Por otro lado, también se están definiendo OWS para aplicaciones de mercado masivo utilizando Web Services REST basados en GeoRSS y KML, por ejemplo. Estas aplicaciones tienen el propósito de ampliar el uso de tecnologías basadas en la localización geográfica para el público en general. El lenguaje KML [5] define una gramática XML para codificar y transportar representaciones de datos geográficos para desplegar en un navegador terráqueo, tal como Google Earth. El lenguaje KML fue entregado a OGC por parte de la empresa Google para ser estandarizado y extendido. 501

28 GeoRSS (Geographically Encoded Object for RSS feeds) es una propuesta para etiquetar RSS con información que permita la localización geográfica. Los Web services son considerados clave para la implementación de arquitecturas orientadas a servicios (SOA), ya que estos permiten alcanzar un alto grado de interoperabilidad entre aplicaciones con una complejidad menor a la de otras alternativas. Los Web services están basados en protocolos para descubrimiento, descripción y llamadas remotas a servicios, así como en los conocidos protocolos como HTTP y TCP/IP. Una posible división en estándares de Web services, para los propósitos de este documento, puede ser la siguiente: SOAP: Estándares WS-*: los más utilizados (especialmente en aplicaciones B2B). POX (Plain Old XML): Muy utilizados en Internet, similares a los REST. REST (Representational State Transfer): API simples, muy utilizados en sitios de e- commerce. Otros estándares de Web services basados en SOAP son los llamados Web services de segunda generación como, por ejemplo, WS-Security y BPEL (Business Process Execution Language). Los Web services POX utilizan HTTP como protocolo de transferencia, con un contenido en XML, cuyo esquema y semántica conocen los dos hosts. Los OWS que se analizan en detalle en este documento son un ejemplo de este tipo, aunque un OWS no siempre debe soportar XML, ya que también existen variantes con codificación KVP como se verá a continuación. Los OWS, al tener una interfaz estandarizada, permiten que sean implementados por clientes y servidores sin tener que programar cada Web Service individualmente, como sucede con Web Services SOAP. Es así que los servidores de mapas, tales como MapServer o GeoServer, permiten publicar datos geográficos mediante estándares tales como WMS o WFS, y clientes como gvsig u OpenLayers pueden consumirlos. El usuario solo debe configurar las capas geográficas que se publican y consumen Implementación sobre HTTP La Plataforma para Computación Distribuída (DCP, Distributed Computing Platform) a la que hacen referencia los estándares de OGC es, concretamente, la red de hosts en Internet

29 que soportan el protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol), es decir, la World Wide Web (WWW). De esta manera, todo recurso online (Online Resource) es especificado mediante una URL HTTP (definido en el IETF RFC 2616). HTTP soporta dos métodos para realizar solicitudes al servidor: GET y POST. Los OWS deben soportar obligatoriamente el método GET. El método POST es obligatorio para WFS pero opcional para WMS. Cada protocolo OGC posee sus parámetros específicos y los valores válidos para cada parámetro. HTTP GET Un URL válido para la operación GET es un prefijo de URL al que se le concatenan parámetros. Un prefijo de URL (según el IETF RFC 2396) es una cadena de caracteres formada por el protocolo (ej. http o https), el nombre de host o dirección, el número de puerto (opcional; cada protocolo tiene su well-known port que se usa por defecto si no se especifica uno), un camino (path) y el signo de interrogación (?) seguidos, opcionalmente, de una lista de parámetros. La lista de parámetros se forma mediante parejas nombre/valor en la forma nombre1=valor1&nombre2=valor2&. Cuando se utiliza el método GET, la codificación de la solicitud se realiza mediante KVP (Keyword-Value Pair), lo que permite construir la lista de parámetros del URL. Ejemplo: REQUEST=GetCapabilites, en donde REQUEST es la keyword o palabra clave y GetCapabilities el valor. HTTP POST Un URL válido para la operación POST es un URL completo (no solamente un prefijo de URL, como en el caso de GET) al que los clientes envían solicitudes codificadas en el cuerpo del documento POST. Cuando se utiliza el método POST, la codificación de la solicitud se realiza mediante el lenguaje XML (Extensible Markup Language) y no se agregan parámetros al URL. 1.3 Operación GetCapabilities La operación GetCapabilities es soportada por todos los OWS y permite que el cliente conozca las capacidades del servidor, es decir, mediante esta operación se obtiene la metadata del servicio (ej. datos que posee, formatos que soporta, valores admitidos de los parámetros, etc.). De esta forma, es posible hacer un binding entre un cliente y el servidor que posea la información que necesita ese cliente. Los parámetros de una solicitud de esta operación son: Service: el tipo de servicio que se desea (ej. WMS). Un mismo servidor puede soportar varios servicios. Request: el nombre de la operación (GetCapabilities, en este caso). Version: el número de versión del protocolo que se está consultando. Las versiones tienen el formato x.y.z. AcceptVersions: versiones del protocolo que soporta el cliente, en orden de preferencia. El cliente y el servidor negocian la versión del protocolo. El servidor 503

30 elige una versión dentro del AcceptVersions y se la envía al cliente. Si no soporta ninguna de las versiones, envía una excepción. Sections: secciones de la metadata del servicio que se deben incluir en la respuesta (ServiceIdentification, ServiceProvider, OperationsMetadata, Contents, All). UpdateSequence: permite que el cliente averigüe si su caché es consistente con el servidor. AcceptFormats: formatos de respuesta (tipos MIME) que soporta el cliente, en orden de preferencia. Por omisión es text/xml. Ejemplo de GetCapabilities en KVP: TVERSIONS=1.0.0,0.8.3&SECTIONS=Contents&UPDATESEQUENCE=XYZ123& ACCEPTFORMATS=text/xml Ejemplo de GetCapabilities en XML: <?xml version= 1.0 encoding= UTF-8?> <GetCapabilitiesxmlns= xmlns:ows= opengis.net/ows/1.1 xmlns:xsi= xsi:schemalocation= fragmentgetcapabilitiesrequest. xsd service= WCS updatesequence= XYZ123 > <AcceptVersions><Version>1.0.0</Version><Version>0.8.3</Version></AcceptVersions> <Sections><Section>Contents</Section></Sections> <AcceptFormats><OutputFormat>text/xml</OutputFormat></AcceptFormats> </GetCapabilities> 2 Web Map Service (WMS) 2.1 Introducción Un Web Map Service (WMS) es un servicio que proporciona una interfaz HTTP simple para obtener un mapa georreferenciado creado dinámicamente a partir de información geográfica proveniente de una o varias fuentes de datos distribuidas. Dentro de este estándar, se entiende como mapa a una representación de la información geográfica en forma de un archivo de imagen digital (Ej. PNG, GIF, JPEG, SVG, etc.). A continuación se analizan en detalle todas las operaciones que comprende este protocolo. 2.2 Operaciones 504 WMS define dos operaciones obligatorias (GetCapabilities y GetMap) y una operación opcional (GetFeatureInfo). Una secuencia posible de envío de mensajes entre el cliente y el servidor WMS puede verse en la Figura 2.