PROYECTO CARTA TOPOGRÁFICA ESCALA 1:1 000,000 DIGITAL. CONTENIDO

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1 PROYECTO CARTA TOPOGRÁFICA ESCALA 1:1 000,000 DIGITAL. CONTENIDO Página Antecedentes 2 Introducción 3 Supuestos Básicos 4 Marco Teórico 5 La Generalización en Cartografía Digital 5 Los Criterios en la Generalización Cartográfica Digital 7 Modelo Conceptual 9 Metodología General 14 Descripción de Etapas Metodológicas 16 Parte I Preparación de Datos Fuente Digitales 16 Parte II Diseño de Pruebas Piloto 17 Parte III Ejecución del Proyecto en Línea de Producción 21 Generalización de Curvas de Nivel 21 Generalización de Corrientes de Agua 22 Refinado de Redes Hidrológicas 22 Ajuste Geométrico de Curvas de Nivel y Corrientes de Agua 29 Generalización de Entidades de Area 29 Criterios de Generalización para la Entidad Cuerpo de Agua 29 Generalización de Localidades 34 Generalización de Entidades Varias 40 Generalización de Entidades de Transporte y Comunicación 40 Generalización de Toponimia 41 Integración y Ajuste de las Entidades Vegetación Densa y Límite 42 Parte IV Postprocesamiento de Datos 43 Estadísticas y Recursos del Proyecto 45 Glosario 50 Referencias 55 Datos Auxiliares 56 Julio del de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 1

2 Antecedentes. La Dirección General de Geografía ha desarrollado proyectos de cartografía topográfica en escala 1: en diversas ocasiones, haciendo uso para ello de las herramientas y técnicas disponibles, en los ambientes tecnológicos vigentes en cada oportunidad. En ese sentido, el modelo que ha sustentado el desarrollo de tales proyectos, siempre ha sido el de generalización manual. Sin embargo, recientemente, durante 1997 y 1998, el INEGI a completado y publicado la Carta Topográfica escala 1: Actualizada. Este producto impreso se generó mediante la técnica de Cartografía Asistida por Comput adora, a través de un proceso de generalización cartográfica digital, enfocado únicamente a la obtención del producto impreso, sin el sustento de un Modelo Conceptual formal. En todos los casos, la información fuente para la generalización ha sido la propia carta topográfica escala 1: del INEGI. El proyecto que nos interesa, tiene objetivos en un horizonte mucho más amplio que el de editar e imprimir una serie cartográfica: pretende generar datos digitales apropiados para manejarse en ambientes de tipo SIG, así como servir de base cartográfica digital para información temática y de recursos naturales, por lo que necesariamente debe cumplir con las normas y especificaciones que para el particular ha dispuesto el INEGI. Evidentemente, otro objetivo adicional que cubre el proyecto, es el de permitir la edición e impresión de los datos, para lo que las Áreas técnicas encargadas de esas funciones deberán disponer de la metodología y procedimientos necesarios. Aunque no es evidente, también se requiere que quienes editan los datos, conozcan los pormenores técnicos del proyecto y la manera como se presentan los datos, ya que se han implementado algunas modificaciones no establecidas en la normatividad vigente. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 2

3 Introducción. El Proyecto Carta Topográfica esc. 1:1 000,000 Digital, surge de la detección de las necesidades de los usuarios en cuanto a disponer de un grupo de datos digitales de cobertura nacional, con propósito multifinalitario. Para tal fin, se formó un grupo especial de trabajo con el objeto de dar cumplimiento al proyecto en un plazo de seis meses. Para su realización es necesario lograr la máxima integración posible de la información que en la materia se ha generado, con preeminencia en la de proyectos anteriores a la misma escala, así como de otras escalas que el Instituto maneja. Sin embargo, la directa integración de los datos del proyecto fuente, previa validación, requiere, además de la disponibilidad de los datos digitales mismos, de la información completa sobre las fuentes de información que se utilizaron en su desarrollo, y del tipo de procesamiento que se les efectuó. De cualquier modo, un objetivo que se ha fijado para este Proyecto, consiste en generar, además de los resultados (datos) requeridos, la documentación descriptiva de las bases teóricas en que se sustenta su desarrollo y ejecución, la metodología empleada y las estadísticas de ejecución. Objetivo del Proyecto: Cubrir un vacío de información geográfica digital, mediante la puesta a disposición de los usuarios, de los siguientes Productos Geográficos Básicos Digitales de escala 1: con cobertura nacional, conforme con las Normas y Especificaciones del S.N.I.G.: Conjunto de Datos Vectoriales y Conjunto de Datos Toponímicos. Meta: Dar término a la elaboración de los productos digitales de cobertura nacional anteriormente citados, en un plazo no mayor de seis meses, es decir, para julio del año de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 3

4 Supuestos Básicos. 1. El grupo especial de trabajo para el Proyecto Carta Topográfica escala 1: Digital, denominado en lo subsiguiente PCT-1MD, hará el diseño, desarrollo, y ejecución, tomando como punto de partida fundamental, la filosofía de Generalización Cartográfica Digital. 2. La fuente de Generalización, será los Productos Geográficos Básicos Digitales de la Carta Topográfica escala 1: , Actualizada. 3. El diseño, desarrollo y ejecución del proyecto PCT-1MD, toma como parte sustantiva, las normas vigentes del S.N.I.G., para los conjuntos de datos de tipo vectorial y alfanumérico, publicadas por el INEGI: Modelo de Datos Vectoriales, Acerca de los Diccionarios Vectoriales, Diccionario de Datos Topográficos escala 1: y Diccionario de Datos Toponímicos. Los productos se generarán en un formato continuo de cobertura nacional, del cual pueden obtenerse conjuntos de datos tanto en el formato cuadrangular de seis grados de longitud por cuatro grados de latitud, como conjuntos de datos de áreas o regiones específicas no conformes con lo que establece el Modelo de Datos Vectoriales. 4. Los datos obtenidos estarán referidos al Dátum Horizontal NAD de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 4

5 Marco Teórico. La Generalización en Cartografía Digital Los varios métodos de generalización son, por supuesto, aplicados en cartografía, no sólo porque promueven la comprensión, sino porque algunos procesos de generalización se hacen necesarios por el hecho de que la reducción desde la realidad a una escala menor, es una parte fundamental de la elaboración de cartografía [Robinson, 1984]. Puede afirmarse que la generalización se encuentra en la esencia misma del trabajo cartográfico. Representar una fracción territorial en un documento gráfico, a través de símbolos y elementos geométricos, requiere efectuar sobre los rasgos que caracterizan la zona representada, operaciones como clasificación, agrupamiento, escalamiento, simbolización, etc. Todas ellas, etapas importantes de la generalización. De esta forma, la generalización, actividad eminentemente intelectual, se ha efectuado a lo largo de la historia utilizando las herramientas tecnológicas disponibles en cada etapa del desarrollo de la humanidad. La actualidad, caracterizada por la utilización de computadoras en casi todos los campos de actividad humana no es la excepción, sin embargo, de acuerdo con Mc Master y Shea, (1992), existen diferencias importantes entre la generalización manual, y la numérica, pues: Los procesos de generalización manual y digital, difieren dramáticamente en varios puntos clave. Primero, mientras que el proceso manual es extremadamente intenso en labor, el proceso digital trata de evitarle al cartógrafo tanta labor mediante la sustitución de trabajo con manipulaciones de cómputo, exactamente ahí, donde había prevalecido precisamente el arte cartográfico. También, como resultado del alto grado de subjetividad, el proceso manual es idiosincrático, tanto en la selección de los métodos de generalización, como en el grado en que tales métodos se aplican. En contraste, el método digital intenta proporcionar una aplicación consistente de las manipulaciones de la generalización mediante la aplicación de un grupo predeterminado de instrucciones de cómputo. Finalmente, la diferencia más significante entre la generalización manual y la digital, es que el proceso manual es holístico en su percepción y en su ejecución. En comparación, el proceso digital necesita que las manipulaciones de generalización sean tratadas de manera 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 5

6 independiente, y que se apliquen en una forma secuencial predeterminada, lo que es totalmente inconsistente con la naturaleza del trabajo simultáneo y holístico de la generalización manual. En opinión de los mismos autores, la intervención humana en el proceso de generalización es indispensable, pues: La habilidad de explotar la tecnología de cómputo para lograr percibir el mapa como un todo, tal como lo hace el hombre, aún no existe; por ello, un sistema de cómputo no puede instruirse para que haga una evaluación del impacto que tiene una decisión de generalización para un rasgo o entidad geográfica, en relación con cualquier otra entidad o grupo de ellas. La complejidad de las decisiones de generalización, demanda que los cartógrafos exploten inteligentemente su entendimiento innato del fenómeno geográfico para crear una representación consistente con el conocimiento geográfico exist ente. Para integrar inteligentemente el conocimiento en un medio digital, (entonces) el diseño de algoritmos, implementación de estrategias y técnicas de control para las operaciones de generalización, deben considerar las implicaciones geográficas de las decisiones de generalización. De manera más específica, definen la Generalización Digital como: El proceso de derivar, a partir de una fuente de datos (existente), un grupo de datos cartográficos codificados digital o simbólicamente, a través de la aplicación de transformaciones espaciales y de atributos. Objetivos de este proceso de derivación son, en alcance, reducir la cantidad, tipo y representación cartográfica de los datos codificados, de un modo consistente, tanto con los usos pretendidos del mapa, como con las necesidades de los usuarios a quienes se dirige, manteniendo claridad de presentación a la escala a la que se generaliza. Además de una definición del Proceso de Generalización, es necesario construir un marco conceptual que permita identificar y aislar los componentes sobresalientes del proceso de generalización digital. Una vez establecido el marco de referencia, puede seguir el desarrollo de reglas y guías para controlar el proceso. Aunque crítico para el diseño del procedimiento de generalización, la literatura a la fecha ha enfocado poca atención al desarrollo de reglas objetivas para la generalización digital. Esto resulta principalmente porque los cartógrafos nunca han desarrollado -y tal vez nunca desarrollarán-, reglas objetivas claramente definidas para la generalización manual de los datos. A este respecto, los 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 6

7 mismos autores opinan que...es una circunstancia poco afortunada, que mucho del trabajo que existe, hecho con base en los principios de cartografía en un medio ambiente manual, deban ahora, ser puestos a un lado, ya que está en marcha la investigación y desarrollo de métodos alternativos de generalización en un medio ambiente digital. Los Criterios en la Generalización Cartográfica Digital. Como se mencionará más adelante, la Generalización propiamente dicha, se considera como una operación asistida por computadora, que involucra la aplicación de operadores, algoritmos y parámetros. Dentro del marco conceptual, la descripción de los Criterios de Generalización se trata desde un punto de vista global, en el que se incluyen las etapas de Selección. Ya que la naturaleza intrínseca de los objetos geográficos o de los grupos y asociaciones de los mismos es diferente en todos los casos, se hará un tratamiento diferenciado de los criterios, de manera que se logre una comprensión adecuada de los conceptos. Por otra parte, el comportamiento de todos los objetos geográficos y de las relaciones entre ellos es tan complejo, que hasta el momento no existen reglas de generalización claras y libres de subjetividad que permitan siquiera imaginar que la ejecución de un proceso de Generalización pueda ser sencillo, que no consuma tiempos excesivos, y que permita dividir las tareas entre un grupo de personas, de modo que se obtenga un producto razonablemente estandarizado. Por el contrario, para varias clases de objetos geográficos, los criterios se tornan poco objetivos, de modo que en su aplicación constantemente surgen dudas situacionales, por lo que la descripción de los criterios se vuelve abundante, y lo que tiene la pretensión de ser una regla pierde su sentido. En otras palabras, el significado de la palabra criterio cobra un importante significado y debe contextualizarse para que no cause confusiones graves en la inevitable interpretación a que se sujeta. La contextualización de los criterios depende particularmente del tipo de proyecto, del tema que se trate, de la escala y calidad de los datos fuente, de la escala a la que se generaliza, y especialmente del uso pretendido de los resultados. Esta contextualización de los criterios, tiene también un cariz de toma de decisiones en función de la conveniencia por ejemplo, de obtener 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 7

8 resultados que representen un mínimo de problemas de manejo de volumen de datos para los usuarios; es decir, debe considerarse que el volumen digital final de los datos no sea tan grande, como para que tanto las capacidades de equipo de cómputo, como las del software comercial puedan ser un factor que limite el uso, manejo y aplicaciones de los datos. En la práctica, los conjuntos de datos vectoriales que produce el INEGI para la escala 1: , se generan en un formato de 4 grados de latitud por seis grados de longitud, de acuerdo con la división cartográfica cuadrangular del Sistema Nacional de Información Geográfica (SNIG), para México. De modo particular, el manejo de todos los datos para uno de esos conjuntos puede no representar problemas. Sin embargo, en la realidad, es común la necesidad de manejar mosaicos de dos o más conjuntos, y en el extremo, manejar un mosaico continuo de cobertura nacional. Las experiencias indican que en situaciones extremas, el volumen de datos sí es un factor limitante para las aplicaciones de los usuarios. Es en este sentido que los criterios toman otro enfoque. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 8

9 Modelo Conceptual. El Modelo Conceptual considera la existencia previa de datos geográficos que cumplen con las Normas y Especificaciones existentes de la Base de Datos Geográficos del SNIG, tales datos constituyen la fuente o insumo para el proceso de Generalización. La Generalización propiamente dicha, se considera como una operación asistida por computadora, que involucra la aplicación de operadores, algoritmos y parámetros, que existen como parte de los módulos de aplicación del software disponible, o de aquellos que se diseñen como complemento de los existentes para ayudar a la ejecución de tareas definidas como necesarias. El Modelo considera un paso previo que consiste en la Selección de objetos o entidades geográficas. El proceso de Selección es una tarea puramente intelectual, de análisis y toma de decisiones. Es decir, debe hacerse una discriminación de objetos, con base en la cual se decide el número y clase de entidades que constituyan los grupos de datos en la escala generalizada. Tal Selección tiene varias vertientes o criterios conceptuales, la mayoría de los cuales ya están descritos en el Diccionario de Datos Topográficos. Vectorial, escala 1: , documento publicado por el INEGI. El Diccionario contiene las normas que aplican a las entidades u objetos seleccionados para que se elabore el conjunto de datos, así como las especificaciones numéricas mínimas para la parte espacial y de representación de los datos; esto es, tanto las dimensiones mínimas de longitud o área, como la representación geométrica posible para cualquiera de los primitivos espaciales básicos: punto, línea y área. Por otra parte, el Diccionario indica claramente otra de las vertientes, que es la descripción de los atributos de los datos. Por lo anterior, para tener una comprensión más completa del Modelo Conceptual y de los resultados del proyecto, se recomienda que se consulte tanto el Diccionario como el Modelo de Datos Vectoriales El proceso de generalización es tan complejo, que hecha la selección y aplicados los operadores de cómputo, no existe ninguna garantía de que el resultado sea satisfactorio. Por tal motivo, el Modelo plantea la necesidad de aplicar una segunda etapa de Selección, que debe ejecutarse desde un enfoque holístico, en el que se cuide el equilibrio del contenido en cuanto a lógica y razonabilidad, tanto de las relaciones 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 9

10 entre objetos de la misma clase, como de las relaciones entre objetos de clase diferente. Esta etapa de selección sí se considera propiamente una componente del proceso de generalización, e implica una fuerte actividad de análisis visual de datos en los equipos de cómputo. El análisis se enfoca principalmente a dos grupos de redes y patrones: hidrográficos y de transporte y comunicación. El análisis debe conducir a la obtención de redes y patrones integrados y libres en lo posible, de redundancia. Esta etapa también se conoce como Refinamiento o Refinamiento Holístico. Para realizar el refinamiento, se aplica lo que algunos autores llaman Operador de Selección/Eliminación, que se ejecuta puramente en modo manual y gráfico con el equipo de cómputo, es decir, no hay algoritmos ni automatización posibles. Hasta este punto, los lectores pueden tener diversidad de interpretación en los conceptos expresados. La idea más natural puede ser que todos los objetos seleccionados necesariamente son sujetos de generalización, especialmente la que involucra algún tipo de transformación espacial. Sin embargo, este tema está ambientado en el análisis y la toma de decisiones ponderadas, ya que cada decisión tiene que ser llevada al terreno de la ejecución, en el que la práctica indica que surgen complicaciones como por ejemplo, en el diseño de operadores de cómputo, en la pérdida de relaciones geométricas entre entidades, y modificaciones en la exactitud posicional de entidades afectadas por la aplicación de determinado operador. En este sentido, los únicos elementos a los que se aplicó un proceso automático de generalización de tipo Simplificación, son las curvas de nivel y las corrientes de agua con representación de línea sencilla. El Esquema A, muestra el Modelo Conceptual mediante un diagrama sencillo. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 10

11 Proceso de Generalización VECTOR Transformación Espacial Base de Datos fuente Elementos Espaciales Y Elementos Estadísticos Proceso de Selección 1 : Diccionario de Datos: Entidades u Objetos Geográficos Atributos. Dimensiones Mínimas. Proceso de Generalización De Elementos Estadísticos. Transformación de Atributos Esquema A Puntos: Eliminación Agregación Desplazamiento Líneas: Eliminación Simplificación Desplazamiento Suavizado Realce Fusión Áreas: Eliminación Amalgamación Colapso Desplazamiento Simplificación Suavizado Proceso de Selección 2 : Enfoque holístico / Refinamiento / Equilibrio de contenido. Patrones y Redes En el Esquema A, la parte formal del Proceso de Generalización, que como ya se mencionó, se considera como una operación asistida por computadora, que involucra la aplicación de operadores, algoritmos y parámetros, aparece como un proceso con dos vertientes: la del Proceso de Generalización Vector y la del Proceso de Generalización de Elementos Estadísticos. Esto se debe a que el Modelo que se presenta se enfoca a las componentes vectorial y alfa-numérica de la Base de Datos y no trata acerca de la generalización de datos de tipo Raster. Respecto a las Transformaciones Espaciales para la generalización de tipo vectorial, el Esquema A muestra los operadores más comunes que pueden aplicarse a los primitivos básicos espaciales (punto, línea y área), de acuerdo con las necesidades de cada proyecto específico. En el Glosario de este documento, se describe brevemente cada uno de tales operadores. En la Tabla 1, se indican todos los objetos o entidades vectoriales considerados en el Diccionario, así como el tipo de operador u operadores que aplica a cada uno en el proyecto. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 11

12 Tabla 1 Entidades Vectoriales escala Operadores aplicados 1: Acueducto Eliminación. Refinamiento Aeropuerto Eliminación. Colapso Área natural protegida Ninguno Arrecife / bajo Ninguno Camino Eliminación. Refinamiento Canal Eliminación. Fusión Carretera Eliminación. Refinamiento Caseta de peaje Ninguno Conducto Eliminación. Fusión Corriente de agua Eliminación. Simplificación. Desplazamiento. Refinamiento Corriente que desaparece Eliminación. Refinamiento Cuerpo de agua Eliminación. Simplificación. Suavizado. Amalgamación. Desplazamiento Curva de nivel Eliminación. Simplificación. Desplazamiento. Refinamiento Entrada a gruta Ninguno Fango Eliminación. Simplificación. Suavizado. Faro Ninguno Instalación de comunicación Ninguno Instalación diversa Eliminación Instalación industrial Eliminación. Colapso Límite Ninguno Línea de transmisión Eliminación. Fusión Localidad Eliminación. Colapso Malpaís Eliminación. Simplificación. Suavizado. Nieve perpetua Ninguno Pantano Eliminación. Simplificación. Su avizado. Planta generadora Ninguno Presa Eliminación. Colapso Puente Eliminación. Colapso Punto acotado Eliminación Rasgo arqueológico Colapso Ruta de embarcación Ninguno Salina Eliminación. Simplificación. Suavizado Terreno sujeto a inundación Eliminación. Simplificación. Suavizado. Amalgamación Vegetación densa Desplazamiento Vía férrea Eliminación. Fusión. Refinamiento Zona arenosa Eliminación. Simplificación. Suavizado. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 12

13 La vertiente de Generalización de Elementos Estadísticos se refiere exclusivamente, tanto a los atributos de las entidades u objetos geográficos, como a los valores de tales atributos. El Diccionario de Datos para la escala de 1: ya establece cuales atributos y valores debe considerar la información generalizada, sin embargo, hasta aquí, sólo tenemos la perspectiva del Proceso de Selección que admite el Modelo como una etapa previa. La ejecución de esta vertiente, que corresponde estrictamente con la Generalización de Elementos Estadísticos o Transformación de Atributos, se tratará en los apartados que corresponda. En cuanto a la componente Raster, la literatura especializada más actual, enfoca la Generalización en los datos de tipo imagen. Consideremos que el concepto o definición de los datos Raster tiene dos vistas. La más sencilla se refiere a los datos de rejilla, como los datos para Modelos de Elevación, en los que para cada cruce en la rejilla se tiene como atributo un valor de elevación. La segunda, más compleja, se refiere a un modelo de teselación (del latín tesela, componente de un mosaico), que consiste de unidades espaciales a las que se asocia un grupo de propiedades. A este modelo corresponden todas las imágenes digitales, especialmente las obtenidas por satélite y las fotografías aéreas. Desde esta perspectiva, la Generalización no modifica la rejilla de la matriz raster, sino la información teselada (pixels), es decir, los atributos de las unidades espaciales, típico de las imágenes. La modificación de la matriz raster implica necesariamente un cambio en su resolución espacial, lo que se logra mediante métodos numéricos, ordinariamente conocidos como remuestreo. En resumen, un remuestreo de los datos de un Modelo Digital de Elevación no significa que se generalice. Sin embargo, si el caso fuera, por ejemplo, filtrar los datos del terreno para obtener un suavizado, entonces puede considerarse como una operación de generalización en modo raster. Ya que el proyecto para el que se describe el Modelo no involucra imágenes, no se hace más mención al respecto, aunque los resultados del proyecto en general, puedan ser asociados con un grupo de datos de ese tipo. La mayoría de los trabajos asociados con la generalización de imágenes raster puede ser encontrada en la literatura de Percepción Remota. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 13

14 Metodología General. Se presenta de modo sinóptico el esquema global metodológico para la Generalización, de modo que se tenga una comprensión lo más completa posible, enseguida, se abunda con descripciones sucintas de las cuatro etapas que son: Preparación de Datos Digitales Fuente. Diseño de Pruebas Piloto. Ejecución de Proyecto en Línea de Producción. Postprocesamiento de Datos. Para la Preparación de Datos Digitales Fuente. 1. Obtención de todos los archivos digitales validados de la Base de Datos Geográficos en escala 1: , en proyección UTM, referidos al dátum horizontal NAD Selección/Eliminación de entidades de acuerdo con la última versión del Diccionario de Datos Topográficos para escala 1: Construcción de mosaicos de formato de 4 grados de latitud por 6 grados de longitud, en proyección CCL. 4. Eliminación de líneas virtuales de áreas entre conjuntos de datos de escala 1: , dentro de cada mosaico construido. 5. Construcción de líneas virtuales de áreas entre conjuntos de datos de escala 1: (23 conjuntos). Para el Diseño de Pruebas Piloto. 1. Análisis de los Operadores de Generalización y sus Parámetros disponibles en el Sistema. 2. Piloto en datos de Curva de Nivel. 3. Piloto en datos de Corrientes de Agua. 4. Evaluación de Resultados Gráficos y Posicionales. 5. Toma de decisiones para elegir Operadores y Parámetros Tema Tiempo de ejecución Disminución de volumen digital Geometría de las Curvas y de los componentes de la Red Geometría de objetos remanentes pequeños Cambio Posicional de Curvas y de Corrientes Datos y Hechos Tiempo de procesamiento en condiciones normales de sistema. Ganancia porcentual en el ahorro de megabytes. Similitud geométrica con las Corrientes originales. Grado de conservación de formas. Pertinencia de conservación de objetos. Segmentos no útiles. Mediciones de desplazamientos máximos. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 14

15 Para la Ejecución de Proyecto en Línea de Producción. 1.- Generalización de Curvas de Nivel. 2.- Generalización de Corrientes de Agua. 3.- Refinado de Redes Hidrológicas. 4.- Ajuste Geométrico de Curvas de Nivel y de Corrientes de Agua. 5.- Generalización de entidades de Área. 6.- Generalización de Localidades. 7.- Generalización de entidades varias. 8.- Generalización de Entidades de Transporte y de Comunicación. 9.- Generalización de Toponimia Integración y Ajuste de Vegetación Densa y Límites Geoestadísticos Estatales. Para el Postprocesamiento de Datos. 1.- Ajuste de Códigos de Rasgo en Tabla FRT (por sus siglas en inglés (Feature Relation Table) original establecida para los datos fuente 1: Adecuación de procesos automáticos para realizar la estructuración geométrica de los datos. 3.- Estructuración de Datos en modo automático e interactivo. 4.- Ligue de Conjuntos de Datos escala 1 : Estructuración final de datos. 6.- Creación del Archivo de Datos Auxiliares 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 15

16 Descripción de Etapas Metodológicas. Parte I Preparación de Datos Digitales Fuente. La Preparación de los Datos Digitales Fuente es una actividad delicada para el proyecto, ya que es absolutamente necesario conocer la naturaleza de los datos, su calidad, su procedimiento de generación y sus volúmenes por dato o por grupos de datos, entre otros temas. Esto permite dimensionar la magnitud del trabajo en las etapas subsiguientes. 1. Obtención en el Área de Base de Datos de todos los archivos digitales validados en escala 1: , en proyección UTM, referidos al dátum horizontal NAD Selección/Eliminación de entidades de acuerdo con la última versión del Diccionario de Datos Topográficos para escala 1: Esto significa que deben ser eliminadas digitalmente mediante el código de rasgo, todas aquellas entidades que no se consideran en el Proyecto PCT-1MD. La selección aplica particularmente para las curvas de nivel, ya que sólo se mantienen las curvas con valores de 200 metros y sus múltiplos y excepcionalmente, por su importancia en la representación del terreno, la curva con valor de 100 metros. 3. Construcción de mosaicos de formato de 4 grados de latitud por 6 grados de longitud, en proyección CCL, ya que este es el formato normativo para los datos en escala 1: Eliminación de líneas virtuales de áreas entre conjuntos de datos de escala 1: , dentro de cada conjunto en escala 1: Construcción de líneas virtuales de áreas entre conjuntos de datos de escala 1: Obtención en el Área de Base de Datos de todos los archivos digitales de datos alfanuméricos de toponimia, tanto de Localidades, como de Nombres Geográficos. 7. Obtención en el Área de Base de Datos de todos los archivos vectoriales de los Límites Geoestadísticos Estatales validados en Obtención en el Área de Cartografía Censal de todos los archivos digitales alfanuméricos, de las Localidades y el número de habitantes con actualización del Conteo de Población Este dato y los Límites Geoestadísticos Estatales son ajenos a la fuente de actualización declarada, que son los Productos Geográficos Básicos Digitales de la Carta Topográfica escala 1: , Actualizada. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 16

17 Parte II Diseño de Pruebas Piloto. Las pruebas piloto tienen como objetivo determinar la mejor opción para procesar datos que se asumen como críticos por su volumen digital y por la implicación de modificaciones en términos de exactitud posicional y de relaciones geométricas entre entidades diferentes. Específicamente, se trata de las cubiertas de curvas de nivel y de corrientes de agua. Las pruebas piloto se enfocan estrictamente a estos dos grupos de datos, y se tratan en particular por la dificultad en la selección adecuada del operador de generalización que se aplica de modo automático. Las pruebas piloto se aplican de manera separada a datos de una sola clase (capa) por evento. El insumo genérico para las pruebas piloto es un juego de datos de dos grados de longitud por un grado de latitud, de fuente escala 1: , separado en capas y/o elementos particulares. Prueba piloto para curvas de nivel.- El nivel de detalle que presentan las Curvas de Nivel del Conjunto de Datos Topográficos escala 1:250,000, precursoras de la escala 1: materia de este Proyecto, debe ser revisado y ajustado a las características requeridas por ésta última, a fin de maximizar la representatividad de la información que lo constituirá, minimizando al mismo tiempo su volumen de datos, y favorecer con ello su operabilidad para el usuario. Con este propósito, se ensayaron dos alternativas de simplificación geométrica: el método Douglas-Peucker, descrito en [McMaster & Shea, pág. 77], y un método denominado Bunch, ambos incorporados en el software disponible en las herramientas del INEGI. Área de Prueba.- La prueba se efectuó sobre las curvas de nivel del mosaico clave E14, formado por las 12 cartas 1:250,000 que presentan una de las mayores complejidades topográficas del país. Ejecución.- Para efectos de determinar con precisión los resultados y tiempos de ejecución de cada alternativa a probar, la secuencia de procesamiento se ha dividido en dos grupos de operaciones: A)- Aquellas operaciones que se aplican previamente a la aplicación del filtro, y que están destinadas a preparar la información para éste. Dado 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 17

18 que son requeridas independientemente del filtro que se aplicará, se les ha denominado Incondicionales. B).- Las alternativas (1 y 2) de métodos de simplificación a probar. Etapas incondicionales. El siguiente cuadro muestra los tiempos que tomaron en su ejecución las acciones de preparación de los datos para la prueba piloto. Etapa Descripción Tiempo (minutos) Extracción de Aislamiento de curvas del resto de 33 curvas información Marcado < 2000 m Selección de curvas en altos 60 topográficos no sujetas a filtrado División 1 Primera segmentación de curvas 32 para filtrado División 2 Segunda segmentación de curvas 28 Almacenamiento Respaldo de los resultados parciales 38 Total 191 Alternativas de simplificación. Las dos alternativas de simplificación a probar, denominadas Combinación 1 y Filtro Opción 2, se ejecutaron en los siguientes tiempos: Etapa Comentarios Tiempo (minutos) Combinación 1 Filtro Bunch, suavizado. Akima y filtro Peucker Filtro opción 2 Filtro Peucker 15 Almacenamiento ocupado. Ahora se presenta un comparativo entre el espacio ocupado por el conjunto de datos original, y por las curvas de nivel exclusivamente. Etapa Espacio en MB Porcentaje Original Curvas solamente de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 18

19 Las estadísticas de almacenamiento ocupado por las opciones de simplificación ejecutadas son: Etapa MB % de reducción del Original % de reducción de las Curvas Combinación Filtro opción Análisis de Resultados. El filtro opción 2 (Douglas-Peucker), mantiene la forma original de las curvas y conserva a lo largo de todos los datos una desviación máxima de 50 m, además, preserva los vértices en líneas de quiebre. La combinación 1 produce desviación de hasta 300 m, principalmente en líneas de quiebre, con lo que se modifica su posición, y afecta la coincidencia con los vectores de hidrografía correspondientes. Pruebas Posteriores.- Se condujeron pruebas posteriores con el propósito de buscar reducciones mayores en la duración de las etapas incondicionales iniciales. De ellas, se obtuvo que al aplicar las siguientes consideraciones, el procedimiento total de reducción de geometría redundante mejoraría sustancialmente en los tiempos de ejecución: Aplicar todas las operaciones de manera selectiva a cada grupo específico (curvas de nivel en este caso, o bien hidrografía), sin extraerlos o aislarlos del conjunto íntegro de datos (evitar la extracción). Dado que el filtrado preserva la forma de las entidades, no discriminar aquellas de dimensiones menores. Con ello se elimina la selección de curvas menores. Aplicar solamente una de las dos etapas de división de líneas prolongadas. Con la segunda etapa se obtienen los mejores resultados. Incluir las etapas de detección de cruce de entidades automática (Crossing), y de verificación de integridad (Itcheck). Resultados finales: Tiempo.- Aplicando lo anterior, fue posible reducir los tiempos del procesamiento de todos los conjuntos de datos. Almacenamiento. Los resultados en reducción de almacenamiento son como sigue: 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 19

20 Volumen de datos originales: Volumen de datos filtrados: bytes bytes. Porcentaje de Reducción total: 46.37%. El porcentaje coincide con el obtenido en las pruebas iniciales efectuadas. Prueba piloto para corrientes de agua.- La prueba piloto para corrientes de agua se condujo de modo semejante que para las curvas de nivel: Elección de dos operadores de generalización, en este caso, se decide el uso de BUNCH FILTER de mínimos cuadrados y de IFILTER, del software disponible en el sistema. Elección del parámetro de BUNCH FILTER. Ejecución automática del operador y su parámetro. Análisis y evaluación de: Tiempo de ejecución Tiempo de procesamiento en condiciones normales de sistema. Disminución de volumen digital. Ganancia porcentual en el ahorro de megabytes. Geometría de los componentes de las corrientes de agua. Similitud geométrica con las corrientes originales. Grado de conservación de formas. Cambio Posicional de Corrientes Mediciones de desplazamientos máximos. Selección y ejecución del segundo operador de generalización, así como de su parámetro, en este caso, se decide el uso de IFILTER AKIMA SMOOTHING de interpolación cúbica. Análisis y evaluación de los mismos elementos descritos para el BUNCH FILTER. Edición interactiva de las Corrientes resultantes. Estructuración del archivo de Corrientes resultante. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 20

21 Ejecutar una sobreposición Vector-Vector de los archivos finales de Curvas de Nivel y de Red Hidrográfica para analizar visualmente el grado de congruencia geométrica entre las formas de las Curvas y la posición de las Corrientes. Esta etapa reviste importancia porque será un indicador de la pertinencia de los procesos de Selección y Generalización que se aplican en las Pruebas Piloto, ya que del resultado satisfactorio depende su aplicación metodológica. Parte III Ejecución del Proyecto en Línea de Producción. Generalización de Curvas de Nivel. El tratamiento de las Curvas de Nivel es crítico, ya que por su naturaleza, es el grupo de datos que suele ocupar mas espacio digital, tanto para su procesamiento como para su almacenamiento y uso en aplicaciones. En la etapa de Selección se decidió mantener las curvas de nivel con atributo de altura con valores de doscientos metros pares y, excepcionalmente la curva única con valor de 100 metros. La condición de excepción se fundamenta en el hecho de que varias regiones del país sólo tienen representación del relieve por debajo de la cota de 200 metros, tal es el caso de la Planicie Costera del Golfo de México y gran parte de la Península de Yucatán, por citar algunas importantes. En cuanto al proceso de generalización, el criterio es aplicar un operador de filtrado con algoritmo de Douglas-Peucker, con un parámetro de 50 metros para la desviación lateral. Las pruebas de desempeño para la generalización de Curvas de Nivel, después de haber aplicado varios algoritmos y combinaciones de ellos, demostraron que el mejor resultado se obtiene con el algoritmo mencionado, ya que se obtiene una reducción máxima de datos de 60 % en promedio. Por otra parte, se mantiene una exactitud espacial dentro de una tolerancia establecida de 50 metros. En el aspecto de la reducción de complejidad de las Curvas, o dicho de otra manera, del grado de sinuosidad comparado con las Curvas Fuente en la escala de 1: , se decidió buscar un resultado de semejanza geométrica, lo que a primera vista puede ser discutible desde el punto de vista estético. Sin embargo, otros tipos de filtrado o combinación de filtrosuavizado que ofrecieron una disminución en el grado de sinuosidad, 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 21

22 mostraron desplazamientos de Curvas más allá de la tolerancia de 50 metros. Asociado a esto, se ha considerado otro tipo de criterio: la consistencia lógica de dos grupos de datos, las curvas de nivel y las redes hidrográficas. Las relaciones que deben guardar los ríos y arroyos en cuanto a los cursos indicados por las inflexiones de las Curvas de Nivel deben conservarse adecuadamente, además de que los desplazamientos causados por los algoritmos deben evitar la sobreposición de cruce indebido entre los vectores de Curvas con los vectores de la Red Hidrográfica. El descuido de este aspecto lleva inevitablemente a una operación altamente consumidora de tiempo: la edición manual de los vectores Generalización de Corrientes de Agua. Para las corrientes de agua se decidió aplicar el proceso de generalización con un operador de filtrado, antes de la etapa de selección, de ese modo se logran dos ventajas; la primera es disminuir el volumen digital de los datos para un manejo más eficiente en los equipos de cómputo; la segunda, es poder efectuar la etapa de selección con la cubierta de Curvas de Nivel como ayuda de fondo, para una óptima interpretación en la obtención de los patrones de redes hidrográficas. En cuanto al proceso de generalización formal, el criterio adoptado es aplicar un operador de filtrado con algoritmo de Douglas-Peucker, con un parámetro de 50 para la desviación lateral, consistente con el aplicado al caso de las Curvas de Nivel. Las pruebas de desempeño para la generalización de los elementos de la Red Hidrográfica, demostraron, al igual que para las Curvas de Nivel, que el mejor resultado se obtiene con el algoritmo mencionado, ya que se obtiene una reducción máxima de datos de 60 % en promedio. Por otra parte, se mantiene una exactitud espacial dentro de una tolerancia de 50 metros. Refinado de Redes Hidrológicas. Para continuar con la descripción de los criterios, se procede ahora al tema del análisis del arreglo de los patrones de redes hidrográficas. El sentido de analizar el patrón de la red de hidrografía es básicamente el de generar árboles jerárquicos de corrientes troncales y tributarias de 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 22

23 modo que se guarden las jerarquías naturales y lógicas de este tipo de redes. Una vez hecho el proceso de selección de objetos y atributos, el proceso de generalización continúa con la aplicación de las transformaciones espaciales o de atributos respectivamente. Debemos aclarar que aunque la selección no forma parte estricta de la generalización, eventualmente puede requerir de procesamiento de cómputo para ahorrar tiempo, por lo que es posible que se confunda con una operación de generalización, o en otras palabras, verse como parte de una transformación espacial, lo que por supuesto, no es correcto. La transformación de atributos, que conlleva el tratamiento de la parte descriptiva de los datos, también requiere del análisis espacial de las implicaciones del cambio de escala y de representación geométrica de una entidad (por ejemplo, de área a punto), así como del análisis de la aplicación indiscriminada de las especificaciones de longitudes y áreas mínimas para ciertos objetos. Esto significa que el análisis debe considerar para ciertos casos, por ejemplo, la amalgamación o agregación de varias ocurrencias de entidad en una sola que represente a tales ocurrencias si están muy cerca unas de otras, cuando por aplicación de la especificación de área mínima deberían desaparecer. En la práctica, y ya que existe el Diccionario de Datos Vectoriales para el tema de Topografía en la escala 1: , se expone el tema de la Selección, para la cubierta o capa que contiene lo que el Diccionario describe como Corriente de Agua, Corriente que Desaparece y Cuerpo de Agua; (cuando éste último corresponde a la parte de un río con un ancho mayor de 500 metros, y que en uno de sus extremos o en ambos, conecta con la representación vectorial de línea del mismo río). Como se menciona anteriormente en la descripción del Modelo Conceptual de la Generalización, aunque el proceso de selección implica una fuerte componente intelectual, también puede aprovechar, en donde es posible, el auxilio de procesamiento de cómputo para ahorrar tiempo. Cuando la estructura vectorial de los datos no contiene atributos que permitan categorizar o jerarquizar los segmentos de una red hidrográfica, es virtualmente imposible que el proceso de selección se automatice. El caso que nos ocupa se caracteriza exactamente porque los elementos vectoriales de las redes hidrográficas (conformadas por Corriente de Agua, Corriente que Desaparece y Cuerpo de Agua), no tienen el atributo de 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 23

24 categoría o jerarquía que permita una selección o discriminación para la eliminación de vectores que se considere pertinente. El Diccionario establece dos parámetros limitantes que establecen que la Base de Datos para la escala 1: no debe contener Corrientes menores de metros de longitud ni Cuerpos de Agua que formen parte del curso de las Corrientes, con ancho menor de 500 metros. Para iniciar el proceso de selección asistido por computadora y en consideración a las dimensiones mínimas mencionadas, la solución se apoya en el diseño de un algoritmo que procesa los vectores para que en pantalla se indiquen todos aquellos que no cumplen con la especificación de longitud mínima. Sin embargo, dada la estructura de los datos, también aparecen indicados aquellos segmentos de las troncales principales de todas las arborescencias hidrográficas que no cumplen con la especificación de longitud mínima. Esta situación no permite tomar la decisión de eliminar los segmentos indicados en pantalla de un modo automático, por el simple hecho de que se obtendrían redes con pérdida de configuración e interrupciones en la continuidad de los segmentos troncales. La eliminación debe hacerse interactivamente, de modo que el operador del equipo determine los extremos más alejados de cada corriente troncal, después de lo cual, se procede a eliminar los segmentos terminales tributarios o laterales que no cumplan con la condición de longitud mínima. Aún si la situación descrita tuviera solución informática automatizada, surge otro tipo de problema. Para los datos de las redes hidrográficas, lo que se pretende mediante la generalización cartográfica (incluida la etapa de selección), es la obtención de resultados que holísticamente muestren juegos de datos que mantengan patrones lógicos, tanto en el grado de sinuosidad de vectores, como en el equilibrio y caracterización del contenido. Es decir, que muestre sólo lo necesario para la escala requerida, y evite el detalle ocioso que no aporta o enriquece el juego de datos para los usos en la escala pretendida. Debe lograrse la mejor densidad y distribución de corrientes en todas las redes. Con fines meramente de ilustrar lo expresado, la figura N 1, presenta una red hidrográfica que debe ser generalizada a una escala menor, supóngase de 1: a 1: de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 24

25 Figura N 1 Figura N 2 La figura N 2 muestra un resultado semejante al que se obtendría al aplicar una selección y eliminación de segmentos menores a la longitud mínima requerida. Se aprecia también que la red obtenida no tiene equilibrio jerárquico, es decir, aún existen pequeños segmentos de longitud ligeramente superior a la especificación mínima, indicados por las elipses. Nótese que la Figura N 2, aún se presenta en la misma escala de la Figura N 1, supóngase, 1: En este caso, aún cuando se aplique una etapa de selección y eliminación de segmentos que tome como base la longitud mínima requerida, no se logra como resultado una red libre de segmentos no deseables, ya que permanecen aquellos que son ligeramente mayores a la longitud mínima requerida y que se les parecen mucho. Para resolver esta situación, se requiere una segunda selección (ver el Esquema A), que permita refinar visualmente la red mediante la eliminación de los segmentos no necesarios. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 25

26 Figura N 3 Figura N 4 La Figura N 3 muestra una aproximación al resultado deseado en el que ya se eliminaron los segmentos no necesarios. Se representa en algo semejante a la escala pretendida, supóngase, 1: Ahora, compare las Figuras 3 y 4. Puede apreciarse el efecto de la selección y su aspecto en la escala menor. Aunque no se aprecia, se asume que el resultado en la Figura N 3, ya se sometió al proceso formal de generalización mediante la aplicación de un operador de filtrado. Los ejemplos mostrados son puramente descriptivos de la solución planteada para obtener una red hidrográfica generalizada (con la etapa previa de selección). Sin embargo, estos ejemplos escapan totalmente de la realidad que representa la generalización de la red de hidrografía de un país de dos millones de kilómetros cuadrados, con una enorme diversidad en la estructura de los patrones de redes locales. Evidentemente, tal diversidad es el resultado de la combinación de factores tales como la clase de roca y las estructuras geológica y morfológica, el tipo de suelos, la variedad de vegetación, el clima y la altitud. Ejemplificar la diversidad de los patrones de redes locales de México sería materia de un estudio por sí mismo. Sin embargo, por considerarlo de interés, se presenta otro ejemplo que consideramos típico. La Figura N 5, presenta dos patrones principales: uno, en la parte superior, francamente dendrítico, y otro, en la porción central e inferior, de ramificaciones principales paralelas. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 26

27 El tratamiento de selección debe ser diferente que para el ejemplo anterior. La aplicación del algoritmo de ayuda para localizar segmentos vectoriales menores a la especificación de longitud mínima de metros, indicará una gran cantidad de segmentos para este ejemplo. Por lo que se requiere un fuerte trabajo interactivo para aplicar los criterios más apropiados en la discriminación y eliminación de los segmentos, tanto de los menores de metros, como de aquellos ligeramente mayores a esa longitud. En el resultado obtenido, se apreciaría otra circunstancia. La parte izquierda de la Figura N 5, presenta un tipo de drenaje paralelo, en el que aunque se hayan eliminado los segmentos menores de metros, los que permanecen están en una situación de proximidad tal, que al cambio de escala se mostrarían demasiado juntos. Por lo que la opción aplicada es eliminar algunos segmentos paralelos intermedios para aligerar la configuración del patrón y dar un espaciamiento adecuado visualmente. Finalmente, lo que se pretende es conservar y representar el comportamiento del patrón, tal como se observa en la escala mayor (Figura N 6). Figura N 5 Figura N 6 La Figura N 6 muestra el resultado del refinamiento, mencionado anteriormente como Segunda Selección. Sin embargo, la impresión a 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 27

28 primera vista no es la adecuada, ya que las redes de las Figuras 5 y 6 están a la misma escala (supóngase 1: ). Las Figuras 7 y 8 muestran una vista más cercana a la escala que se pretende (supóngase 1: ). Puede observarse por comparación visual el efecto de la selección de corrientes de agua para su manejo en la escala pequeña. Figura N 7 Figura N 8 Hasta aquí, sólo se ha tratado el tema de la selección de corrientes de la red hidrográfica, así como su refinamiento. Sin embargo, el tratamiento de generalización para los elementos hidrológicos, también involucra necesariamente otras entidades relacionadas espacialmente; tal es el caso de Cuerpo de Agua, Presa, Canal, Acueducto, Terreno Sujeto a Inundación, y algunas otras. 13 de julio de 2000 PROYECTO PCT-1MD 28