Sistemas de Información Geográfica BD Espaciales y BD Espacio-temporales Miguel Rodríguez Luaces Laboratorio de Bases de Datos Universidade da Coruña
Introducción Contenidos Representación de información geográfica Modelo conceptual Modelo lógico Modelo físico Procesamiento de información geográfica Visualización de información geográfica Arquitecturas y estándares Bases de datos espaciales y espacio-temporales 2/26
Proceso de modelado Etapas desde el mundo real hasta la implementación 3/26
Introducción Representación de información geográfica Contenidos Modelo conceptual Modelo lógico Modelo físico Procesamiento de información geográfica Visualización de información geográfica Arquitecturas y estándares Bases de datos espaciales y espacio-temporales 4/26
Modelo conceptual Para definir un modelo conceptual para información geográfica es necesario tener en cuenta la necesidad de definir: El espacio geográfico Los objetos geográficos Los atributos del espacio La tendencia actual es extender modelos conceptuales existentes (UML, el modelo E-R) introduciendo los conceptos de la información geográfica. Nosotros partiremos de UML, aunque los conceptos explicados podrían aplicarse a otro lenguaje de modelado (por ejemplo, el modelo Entidad Relación) 5/26
Modelo conceptual: espacio geográfico El primer paso es la definición del espacio geográfico. Consiste en: Definición matemática del espacio Sistema de referencia de coordenadas La definición matemática del espacio determina sus propiedades. Espacios euclídeos El espacio tradicional que se enseña en geometría Espacios topológicos Espacio en el que sólo están definidos los conceptos de conectividad y continuidad Lo más común es considerar el espacio euclídeo continuo en 2 o 3 dimensiones modelado mediante el conjunto R 2 ó R 3 6/26
Modelo conceptual: espacio geográfico A continuación, hay que definir como se ajusta el espacio matemático a la superficie terrestre. Esto es el sistema de referencia de coordenadas Un sistema de referencia de coordenadas consiste en: Una aproximación de la superficie de la Tierra mediante el geoide de referencia Una transformación de coordenadas desde el espacio matemático a coordenadas sobre el geoide Lo más común en España: Geoide WGS-84 y coordenadas latitud, longitud, altura Geoide ED50 y coordenadas UTM Geoide ETRS89 y coordenadas UTM [compatible WGS84] 7/26
Ejemplo: Representación de IG Modelo conceptual: espacio geográfico Definición matemática del espacio Espacio euclídeo continuo en 2 dimensiones (R 2 ) Nuestras coordenadas son de la forma (43.30, -8.15) Geoide de referencia (WGS84) Semieje mayor: 6378137.0 metros Aplanamiento: 1/298.257223563 ( 3.35 ) Transformación de coordenadas Se define que (0,0) está en el cruce del meridiano de Greenwich con el Ecuador La primera coordenada es latitud (distancia norte-sur a ese punto medida en grados) La segunda coordenada es longitud (distancia este-oeste a ese punto medida en grados) Coordenadas Facultad Informática UDC: (43.332709,-8.410517) 8/26
Modelo conceptual: espacio geográfico Otro ejemplo Definición matemática del espacio Espacio euclídeo continuo en 2 dimensiones (R 2 ) Nuestras coordenadas son de la forma (43.30, -8.15) Geoide de referencia (ED50) Semieje mayor: 6378388.0 metros Aplanamiento: 1/297 Transformación de coordenadas Se define que (0,0) está en el cruce del meridiano 12º Oeste con el Ecuador La primera coordenada son metros de distancia al este de ese punto La segunda coordenada son metros de distancia al norte de ese punto Coordenadas Facultad Informática UDC: (547787, 4797931) 9/26
Modelo conceptual: espacio geográfico No es necesario comprender los detalles técnicos de la definición del espacio geográfico Sin embargo, es muy importante conocer el espacio geográfico del conjunto de datos Los espacios geográficos se identifican con las definiciones del European Petroleum Survey Group EPSG:4326 WGS84 + Lat/Lon EPSG:23029 ED50 + UTM Zona 29 Norte [Galicia] Dos conjuntos de datos, en diferentes espacios geográficos no se pueden utilizar simultáneamente Ejemplo: en Galicia, hay 150 metros de diferencia entre el mismo punto entre EPSG:4326 y EPSG:23029 10/26
Modelo conceptual: abstracciones Una vez definido el espacio geográfico. Debemos definir abstracciones para representar información geográfica La información geográfica puede considerarse desde dos puntos de vista complementarios: Objetos geográficos: son subconjuntos del espacio que se usan para representar la posición o extensión de otras entidades. Por ejemplo: La superficie de una carretera La posición de un manantial Atributos del espacio: son funciones que asocian a cada punto del espacio un valor. Por ejemplo: Temperatura Pendiente del terreno 11/26
Ejemplo de objetos geográficos Representación de IG Modelo conceptual 12/26
Ejemplo de atributos del espacio Representación de IG Modelo conceptual 13/26
Modelo conceptual Ambos puntos de vista del espacio deben estar presentes en el modelo conceptual Los objetos geográficos son útiles para analizar estructuras hechas por el hombre: Redes de carreteras Divisiones territoriales Catastro Los atributos del espacio son más apropiados para información natural o recolectada por sensores: Meteorología Geología Fotos aéreas (ortofotos, satélite) 14/26
Modelo conceptual Ambos puntos de vista definen tipos de datos geográficos que pueden ser utilizados en el modelo conceptual Para objetos geográficos, se definen tipos de datos que representan diferentes combinaciones de figuras geométricas point, line, polygon, geometrycollection, Para atributos del espacio, se definen tipos de datos que representan la función que asocia valores a cada punto del espacio coverage 15/26
Modelo conceptual: modelos de datos Se han definido infinidad de modelos de datos conceptuales para información geográfica a lo largo de los años Cada herramienta de desarrollo de GIS ha definido el suyo. Esri ArcInfo, Intergraph Geomedia, etc.. Cada investigador ha definido el suyo Se está realizando un esfuerzo para definir estándares internacionales para información geográfica OpenGeospatial Consortium (OpenGIS) ISO Technical Committee 211 Nosotros nos basaremos en estos estándares ISO 19107: Geographic Information Spatial Schema ISO 19109: Geographic Information Rules for Application Schema ISO 19123: Geographic information - Schema for coverage geometry and functions 16/26
Modelo conceptual: modelos de datos Alguna nomenclatura (estereotipos): Feature Instance: Una abstracción del mundo real en el modelo conceptual. Ejemplo: La representación en el modelo de España o Francia. Ejemplo: En UML, un objeto. Feature Type: La descripción en el modelo de un conjunto de features con características similares. Ejemplo: La representación en el modelo de la clase País. Ejemplo: En UML, una clase. Spatial Relationship: Una relación entre dos features que es de tipo geográfico. Ejemplo: La relación entre un río y los países que atraviesa. Ejemplo: En UML, una asociación. 17/26
Modelo conceptual: modelos de datos Tipos de datos para objetos geográficos (ISO 19107): 18/26
Modelo conceptual: modelos de datos Tipos de datos para objetos geográficos (OpenGIS SFS) Geometry * Spatial Reference System Point Curve Surface Geometry Collection 1..* 2..* 1..* LineString Polygon 1..* MultiCurve MultiSurface MultiPoint Line LinearRing 1..* MultiLineString MultiPolygon 19/26
Modelo conceptual: modelos de datos Tipos de datos para objetos geográficos (Ejemplos) Geometry * Spatial Reference System Point Curve Surface Geometry Collection 1..* 2..* 1..* LineString Polygon 1..* MultiCurve MultiSurface MultiPoint Line LinearRing 1..* MultiLineString MultiPolygon 20/26
Modelo conceptual: modelos de datos Tipos de datos para objetos geográficos (Ejemplos) Geometry * Spatial Reference System Point Curve Surface Geometry Collection 1..* 2..* 1..* LineString Polygon 1..* MultiCurve MultiSurface MultiPoint Line LinearRing 1..* MultiLineString MultiPolygon 21/26
Modelo conceptual: modelos de datos Tipos de datos para atributos del espacio (ISO 19123): CV_Coverage CV_DiscreteCoverage CV_DiscretePointCoverage CV_DiscreteCurveCoverage CV_DiscreteSolidCoverage CV_ContinuousCoverage CV_DiscreteGridPointCoverage CV_DiscreteSurfaceCoverage CV_ContinuousQuadrilateralGridCoverage CV_ThiessenPolygonCoverage CV_HexagonalGridCoverage CV_SegmentedCurveCoverage CV_TINCoverage 22/26
Modelo conceptual: modelos de datos Ejemplo de esquema conceptual para una aplicación Queremos modelar los países del mundo, representando para cada uno su nombre, su población, su tipo de gobierno y jefe de gobierno, sus fronteras, y su relieve. También queremos representar los ríos del mundo con su nombre, su recorrido, su lugar de nacimiento, y el lugar en el que desembocan. 23/26
Modelo conceptual: modelos de datos Ejemplo de esquema conceptual para una aplicación «feature type» Rio - nombre : String - nacimiento : point - curso : linestring - desembocadura : point «spatial relationship» atraviesa «feature type» País - nombre : String - tipogobierno : String - jefegobierno : String - poblacion : Integer - fronteras : multipolygon - relieve : coverage 24/26
Modelo conceptual: modelos de datos Ejemplo de esquema conceptual para una aplicación «feature instance» Francia : País -nombre = Francia -tipogobierno = República -jefegobierno = D. Villepin -poblacion = 60424213 -fronteras -relieve «feature instance» Portugal : País -nombre = Portugal -tipogobierno = Democracia Parlamentaria -jefegobierno = José Sócrates -poblacion = 10524145 -fronteras -relieve atraviesa atraviesa «feature instance» España : País -nombre = España -tipogobierno = Monarquía Parlamentaria -jefegobierno = J. L. R. Zapatero -poblacion = 40280780 -fronteras -relieve «feature type» Miño : Río -nombre = Miño -nacimiento -curso -desembocadura 25/26
Modelo conceptual: modelos de datos Resumen Hemos esbozado un modelo conceptual para información geográfica. Dicho modelo debe considerar Espacio geográfico Definición matemática del espacio Sistema de referencia de coordenadas Tipos de datos para objetos geográficos Ejemplo: point, linestring, multipolygon, etc. Tipos de datos para atributos del espacio Ejemplo: coverage La existencia de este modelo permite realizar un análisis del sistema de información teniendo en cuenta la información geográfica. 26/26