Introducción a Sistemas de Información Geográfica (Resumen) Existen términos que creemos exclusivos de los sistemas GIS, pero que anteriormente han sido acuñados por grandes personajes, como es el caso de la superposición de mapas. Con esta herramienta somos capaces de colocar capas una sobre otra y ver la relación que comparten para una mejor interpretación de la información. En general, un sistema GIS es cualquier sistema de administración de información que pueda colectar, almacenar y recuperar o consultar información basada en su localización espacial. Además permite identificar localizaciones dentro de un entorno específico que cumpla con ciertos criterios, explorar las relaciones de los datos dentro de determinado ambiente, analizar los datos para tomar decisiones sobre el entorno, facilitar la selección de datos para analizar modelos que calculen el impacto de ciertas circunstancias en un ambiente y finalmente que muestre el ambiente analizado de forma gráfica y numérica. Los sistemas GIS fusionan el manejo de bases de datos convencionales con la manipulación de datos espaciales por medio de algún software determinado. Esto además de tener la capacidad de analizar los datos por medio de superposiciones y combinaciones, nos da las respuestas que nunca antes se habrían podido obtener. GIS es extremadamente importante en la planeación, diseño, valoraciones de impacto, modelado de predicciones y muchas otras aplicaciones de gran importancia. Podemos por ejemplo predecir el grado de inundación que tendrá un poblado en base a las lluvias que se esperan ese año, y así poder determinar la forma de reducir los riesgos o incluso eliminarlos. Sistemas de Información Terrestre Usualmente se puede usar indistintamente el término GIS o LIS, sin embargo se considera que LIS es un subconjunto de GIS debido a las siguientes características. LIS se encuentra principalmente enfocado en la obtención de datos en tierra, lo cual incluye bases de datos sobre parcelas en cierto territorio, cosechas e incluso límites municipales. Incluye capas topográficas, de tipos de suelo, cobertura de la tierra, hidrografía, profundidad al agua del subsuelo, etc. LIS se usa principalmente para obtener respuestas acerca de los intereses de propiedad en la tierra de cierta área, la naturaleza particular de esos intereses y cómo es afectada la tierra. GIS Fuentes de Datos y Clasificaciones Las capacidades y beneficios que de cualquier GIS están directamente relacionadas al contenido y la integridad de sus bases de datos. Estos datos provienen de diferentes fuentes y en ocasiones puede variar la calidad de los mismos. La información es obtenida la mayoría de las veces de fuentes existentes como mapas, planos ingenieriles, fotos aéreas, imágenes de satélite y otros archivos creados para otros propósitos. Construir estas bases de datos es la parte más cara y retadora de implementar un GIS, hasta 60% - 80% del proceso. Existen dos clasificaciones de datos usadas en GIS, espaciales y no espaciales.
Datos Espaciales Los datos espaciales o gráficos consisten en características naturales y culturales que pueden ser representadas por medio de líneas o símbolos en los mapas, o vistas como imágenes en fotografías. En un GIS estos datos deben representarse de forma digital usando una combinación de elementos fundamentales llamada objetos espaciales simples. Los formatos utilizados son vectores o mapa de bits, y la relación relativa espacial de los objetos espaciales simples está dada por su topología. Objetos Espaciales Simples Los objetos espaciales simples más utilizados en datos de localización espacial son los siguientes: Puntos: Definen una ubicación geográfica única y son utilizados para localizar características como casas, pozos, minas o puentes. Las coordenadas dan la localización espacial de los puntos, comúnmente en UTM. Líneas y cadenas: las líneas se obtienen conectando dos puntos, mientras que las cadenas son secuencias de dos o más líneas conectadas. Ambas se utilizan para localizar caminos, corrientes, vallas, líneas de propiedad, etc. Áreas Interiores: Es un espacio continuo formado por tres o más líneas o cadenas conectadas, formando un ciclo cerrado. Se utilizan para representar los límites de las jurisdicciones gubernamentales, parcelas de propietarios determinados, diferentes tipos de cobertura de tierra, o grandes edificios. Pixeles: son cuadrados pequeños que representan el elemento más pequeño en el que una imagen digital puede ser dividida. Se utilizan arreglos continuos de pixeles en filas y columnas para representar datos de fotos aéreas, ortofotos o imágenes de satélite. Asignando un valor numérico a cada pixel se especifica la distribución de colores o tonos a lo largo de la imagen. Además se puede cambiar el tamaño de pixel especificando el número de puntos por pulgada. Celdas o Cuadrículas: Son elementos normalmente cuadrados dentro de una variable geográfica continua. Son similares a los pixeles ya que su tamaño puede ser cambiado, produciendo con celdas más pequeñas mejor resolución. Se utilizan para representar pendientes, tipos de suelo, cobertura de tierra, profundidades de agua, densidad de población, etc. Formatos de Vectores y Mapa de Bits Cuando los datos son representados en un formato vectorial, se usan combinaciones de puntos, líneas, cadenas y áreas interiores, mientras que cuando se usa el vector de mapa de bits se utilizan pixeles y celdas. Como se comentó anteriormente, los vectores utilizados sirven para especificar caminos, líneas de transmisión, límites, etc. La representación de estos vectores puede lograrse creando una serie de tablas donde se listen los puntos, líneas y áreas, a través de coordenadas de puntos. Las coordenadas permiten localizar los puntos, determinar ubicaciones y computar
magnitudes. Pueden también representarse con vectores áreas de diferente cobertura terrestre, donde las líneas y cadenas ubican los límites de las regiones que tienen en común la misma cobertura terrestre. De forma alternativa se puede utilizar el formato de mapa de bits, en el que cada célula o cuadrícula es únicamente ubicada por su fila y columna correspondiente, y es codificada con un número que corresponde a las propiedades en esa específica área. En este formato el tamaño de cada célula determina la resolución con la que los datos se representan. Mientras más pequeña el área de la célula, mejor resolución. Mientras crece la resolución, mayor cantidad de datos se requieren. Muchos datos se encuentran disponibles en el formato de mapa de bits, debido principalmente a que se incluyen fotos aéreas, imágenes de satélite y ortofotos, aparte de la facilidad con que se almacenan, obtienen y manipulan los datos. Topología La topología es una rama de las matemáticas que describe como los objetos se relacionan con otros en el espacio. Las medidas únicas, dimensiones y formas de objetos individuales no son parte del estudio de la topología, más bien se especifican las relaciones relativas. Primero es necesario definir nodos, cadenas y polígonos. Estos son objetos espaciales simples utilizados comúnmente para especificar las relaciones topológicas introducidas en bases de datos GIS. Los nodos definen los inicios y fines de cadenas, así como las intersecciones de las mismas; las cadenas son similares a líneas o strings y son usadas para definir los límites de ciertas áreas; los polígonos a su vez son ciclos cerrados similares a las áreas, delimitados por cadenas conectadas. Las relaciones topológicas más importantes en GIS son: Conectividad, que especifica qué cadenas están conectadas a qué nodos. Dirección, que define un nodo origen y un nodo destino de una cadena. Adyacencia, que indica qué polígonos son adyacentes a la izquierda y a la derecha de una cadena. Anidado, especifica que objetos espaciales simples están dentro de un polígono, pudiendo ser nodos, cadenas o polígonos más pequeños. Datos no Espaciales Los datos no espaciales, también llamados atributos o datos descriptivos definen regiones geográficas o características de rasgos espaciales dentro de regiones geográficas. Son usualmente alfanuméricos y proveen información como color, textura, cantidad, calidad y valor de ciertos rasgos. Se puede especificar también, por ejemplo, una carretera incluyendo su número de ruta, el tipo de pavimento y el número de carriles. En general los datos espaciales se encuentran relacionados con los datos no espaciales, pudiéndose alcanzar identificadores comunes que son almacenados con los datos gráficos y no gráficos.
Formatos de Conversión de Datos Al manipular datos dentro de una base de datos GIS es necesario integrar vectores y mapas de bits o convertir de un formato a otro. Utilizarlos simultáneamente hace que se muestren los datos de vectores cubiertos en una imagen de fondo de mapa de bits. La combinación de estos dos formatos es útil para proveer un marco de referencia y asistir a los operadores GIS interpretando los datos mostrados. Sin embargo a veces es necesario convertir de un formato a otro. Conversión de Vector a Mapa de Bits Esta conversión también es conocida como codificación y puede hacerse de diferentes formas. Aquí mostraremos tres de ellas. En el primer tipo llamado codificación de tipo predominante, a cada célula se le asigna el valor correspondiente a la característica predominante del área que cubre. El segundo tipo llamado codificación de precedencia consisten en que a cada célula se le asigna el valor de la categoría de mayor rango presente en el área correspondiente del dato vector. La tercera técnica es la codificación de punto central, donde a la célula simplemente se le asigna el valor de la categoría a la localización de vector correspondiente en su punto central. La precisión de estas conversiones depende del tamaño de la malla utilizada. Conversión de Mapa de Bits a Vector El proceso involucra extraer líneas del mapa de bits lo cual representa características lineales como caminos, corrientes o límites de tipos de datos comunes. El enfoque consiste en identificar los pixeles o células a través de las líneas vectoriales. Una solución consiste en simplemente conectar los centros de célula adyacentes con los segmentos de línea. Pero no importa cómo se lleve a cabo la conversión, siempre habrá errores durante el proceso y cierta información de los datos originales se perderá. El uso de mallas de células pequeñas mejora los resultados de la conversión. Finalmente, si se hace una conversión de mapa de bits a vector y posteriormente se regresa a mapa de bits, el resultado no se parecerá al mapa de bits original. Creando Bases de Datos GIS Algunos aspectos importantes deben considerarse antes de crear una base de datos para un GIS, esto incluye los tipos de dato que necesitan obtenerse, los formatos óptimos para estos datos, el sistema de coordenadas de referencia que se usará para relacionar los datos y la precisión necesaria para cada tipo de dato. Se deben considerar además las provisiones para actualizar las bases de datos. Una vez tomadas estas decisiones el siguiente paso es ubicar las fuentes de datos, dependiendo de la situación puede ser posible utilizar datos existentes, con lo cual se ahorran costos significantes. En otros casos es necesario recolectar nuevos datos para cumplir las necesidades del GIS. Existen diferentes métodos para generar los datos digitales necesarios para soportar un GIS. Generando Datos Digitales para Estudios de Campo
La información espacialmente relacionada necesaria para soportar un GIS es frecuentemente generada por nuevos estudios de campo hechos especialmente para este propósito. Cualquier proceso o equipo mencionado anteriormente puede ser utilizado para este propósito, además de ser conveniente el uso de una estación total y un GPS por ejemplo, ya que pueden proveer coordenadas de puntos de forma rápida y eficiente. Las posiciones planimétricas y elevaciones pueden obtenerse con ayuda de estos instrumentos, al igual que los datos necesarios para la mayoría de los usos. La información adicional como el tipo, número, diámetro, altura o cualquier otra característica de algún elemento puede ser introducida ya que la posición ha sido determinada. Digitalización de Fotos Aéreas con Restituidores La información de las fotos aéreas puede ser introducida directamente en una base de datos GIS en forma digital utilizando un restituidor. Para este proceso las características planimétricas y las elevaciones pueden ser grabadas, pudiéndose lograr una gran precisión. Los datos son registrados en el sistema de coordenadas referenciadas seleccionado, y los datos verticales se orientan con el restituidor para comenzar la digitalización. Después se graban las características planimétricas, un operador ve el restituidor, se puntualizan los objetos de interés, se introducen las características necesarias y se presiona el pedal de pie para transferir la información a un archivo en una interfaz de computadora. Para digitalizar las elevaciones se lee directamente del estereoscopio tridimensional y se almacena en un archivo de computadora. Digitalización de Materiales Gráficos Existentes Si las fuentes como mapas, planos, diagramas, etc. Que ya existen necesitan ser una base de datos GIS, pueden ser convertidos de forma conveniente y económica a archivos digitales utilizando un digitalizador. Algunos programas GIS proveen la herramienta para poder hacer esto. Se crea una señal electrónica con el cursos y estos códigos se asocian con cada punto a través del teclado de la computadora o presionando botones numéricos. Las características planimétricas y los contornos pueden ser digitalizados desde el mapa. Las características planimétricas son grabadas digitalizando cada punto, línea o área que se identifica, mientras que la elevación se logra digitalizando puntos críticos alrededor del contorno. Los archivos generados pueden ser obtenidos de forma rápida y relativamente a bajo costo. Entrada de Teclado Los datos pueden ser introducidos en un archivo GIS directamente con el teclado en una computadora. Frecuente la introducción de datos por este método es no espacial, como un mapa de anotaciones, numérico o de datos tabulares. Para facilitar el tecleo se crea un archivo con un formato simple, el cual se convierte a un formato compatible con GIS usando software especial. Conjunto de Datos Digitales Existentes
Una cantidad masiva de información digital ha sido generada por oficinas y agencias que se involucran en actividades GIS, todo esto en diferentes países y ciudades del mundo. Como resultado de la proliferación de esta información, una iniciativa conocida como Infraestructura Nacional de Datos Espaciales se ha enrolado a un nivel federal, y cuenta con políticas, estándares y procedimientos para organizaciones que cooperan produciendo y compartiendo datos geográficos. Escaneo Los escáneres son herramientas que de forma automática convierten documentos gráficos en un formato digital. En trabajos GIS los escáneres son usados no solo para digitalizar fotos aéreas, sino que también para convertir documentos grandes como mapas, planos y otros formatos gráficos en digitales. Las principales ventajas de usar escáneres es que el trabajo tedioso de digitalizar se reemplaza y por lo tanto el proceso de agiliza. Estos instrumentos cumplen su objetivo midiendo la cantidad de luz reflejada de un determinado documento y asignando esta información a pixeles. Esto es posible porque las diferentes áreas del documento reflejan en diferentes tonos. Metadatos La palabra metadatos es definida como datos sobre los datos y describen el contenido, la calidad, la condición y otras características sobre los datos geoespaciales y proporciona el conjunto de cambios y modificaciones que se han hecho a los datos. Normalmente incluye información como la persona que originalmente creó los datos, cuándo fue generado, qué equipo y procedimientos fueron utilizados para colectar los datos, la escala original y la precisión. Una vez creados, los datos pueden colocarse en alguna red y ser transformados, modificados o usados de forma instantánea, utilizados para diferentes tipos de análisis espaciales. Pueden además ser retransmitidos a otros usuarios y posteriormente a otros. Es importante que cada cambio en los datos sea documentado y actualizado en el metadato asociado. Funciones Analíticas GIS La mayoría de los GIS están equipados con un conjunto de funciones analíticas básicas que permiten manipular datos, analizarlos y cuestionarlos. Estas funciones acopladas con apropiadas bases de datos proveen al GIS con sus capacidades de potencia para proporcionar información que es significativa en planeación, mantenimiento y toma de decisiones. Aplicaciones de GIS Existe una gran variedad de aplicaciones de GIS, principalmente porque la tecnología ha sido globalizada y cada vez evoluciona más. Algunas de las aplicaciones más comunes son la planeación de uso de tierras, el mapeo de fuentes naturales, la valoración del impacto ambiental, censos, distribución de población, análisis demográficos, selección de rutas en autopistas, distribuciones geográficas de eventos como incendios, crímenes o accidentes a lo largo del tiempo, entre muchos otros.