SIGGrupo Fundamentos de Sistemas

UNIDAD 1

de Información Geográfica

C U R S O

Generalidades de los Sistemas de Información Geográfica

Tema 1 Introducción a los SIG

BOGOTÁ, D. C.CIAFCentro de Investigación y Desarrollo en Información Geográfica

Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Todos los derechos comerciales reservados. Prohibida su reproducción para fines no académicos o de investigación.

Orígenes

Es difícil tratar de establecer el origen de los SIG, sin embargo se pueden establecer algu-nas referencias importantes asociadas a las primeras formas de representación gráfica en la historia de la civilización, por ejemplo, las pinturas rupestres, encontradas en cavernas prin-cipalmente del sur de Europa, que son consideradas como las primeras aproximaciones a un sistema de información del territorio (figura 1).

Otra referencia importante son los fenicios, grandes navegantes, exploradores y estrategas militares que recopilaron gran cantidad de información gráfica en la que se describían sus viajes. Producto de ello surgió una cartografía primitiva que ha sido base para el estudio de esta civilización.

Sin embargo, podría decirse que los primeros intentos de desarrollar un SIG se pueden atribuir a los egipcios, quienes utilizaron cuerdas para delimitar terrenos adyacentes al río Nilo, para luego repartirlos entre los agricultores y así garantizar el sostenimiento de su economía: la agricultura (figura 2).

Generalidades de los SIG

En esta unidad es importante que el estudiante conozca cuándo y dónde se originó el primer SIG, cómo ha sido su evolución, qué etapas se evidencian en el desarrollo de los SIG. Así, se tendrá una idea clara de los principales antecedentes en los que se enmarca la historia de los Sistemas de Información Geográfica.

Introducción a los SIGLa necesidad de almacenar, manipular, analizar y actualizar espacial y temporalmente la información geográfica generó la necesidad de crear Sistemas de Información Geográfica capaces de cumplir con los diferentes requerimientos, de manera que el usuario pueda pasar de una cartografía análoga (en papel) a una cartografía automatizada que responda a diversas inquietudes espacio–temporales.

Historia y evolución de los SIGLa distribución espacial es inherente tanto a los fenómenos propios de la superficie terrestre como a los fenómenos naturales o artificiales que sobre ella ocurren. Todas las sociedades que han gozado de un grado de civilización han organizado de alguna manera la información espacial.

Figura 1. Pinturas rupestres.

Figura 2. Agricultura egipcia.

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Muchos de los algoritmos utilizados en los SIG provienen de una matemática (de la cual se tienen referencias desde 1680 aproxi-madamente) que exploraba el Analysis Situs (Análisis de Sitios) y determinaba la distribución entre las ciudades y sus entornos. Del Analysis Situs surgió la topología, que es la ciencia matemática que permite estudiar figuras y sus relaciones entre sí (figura 3).

A partir de los SIG primitivos (Olaya y Luaces, p. 10) se va dan-do forma a un área de conocimiento, sin duda con gran futuro, y se elabora una base sólida de conocimiento y de herramien-tas aptas para un uso más genérico. Sin haber entrado aún en la época del uso masivo y generalizado, los primeros paquetes comienzan a distribuirse y pasan a incorporarse a la comunidad cartográfica, lejos de ser el producto de unos pocos pioneros. Figura 3.

Origen de la topología.

De manera que se estudiará la evolución de los SIG a partir de cuatro escenarios:

• Escenario 1. La evolución de los SIG como disciplina o herramienta.

• Escenario 2. La evolución de la tecnología.

• Escenario 3. La evolución de los datos.

• Escenario 4. La evolución de las técnicas y formulaciones.

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Conexa

Escenario 1. La evolución de los SIG como disciplina o herramienta

Los SIG eran en principio una combinación de elementos de cartografía cuantitativa enlazados con los sistemas informáticos de la época. Se trataba de un territorio propio de cartógrafos y geógrafos que intentaban adaptar sus conocimientos y nece-sidades a las tecnologías que comenzaban a surgir. No obstante, desde este punto los cambios han sido muy grandes y se han incorporado al ámbito de los SIG un gran número de otras disciplinas, si bien los orígenes de los SIG están íntimamente ligados a la gestión forestal o la planificación urbanística.

Al principio de la década de los setenta, siendo ya claro que los SIG son herramientas con gran futuro, aparecen no sólo los esfuerzos de desarrollo y estabilización de la disciplina, sino todos los restantes que dan entidad propia a la prometedora ciencia de la información geográfica.

En 1969, Jack Dangermond, integrante del Harvard Laboratory, funda junto a su esposa la empresa Environmental Systems Research Institute (ESRI). Así, a finales de septiembre de 1970, se desarrolló en Ottawa, Canadá, el Primer Simposio Inter-nacional de Sistemas de Información Geográfica y los SIG comienzan a formar parte de los currículos universitarios. Surgen nuevas empresas en el mercado y en 1985 aparece el primer SIG libre, Geographic Resources Analysis Support System (GRASS).

En la actualidad, los SIG han pasado de ser elementos restringidos únicamente para profesionales a ser elementos de con-sumo y estar presentes en nuestra vida diaria. Un ejemplo de ello es la aparición de servicios como Google Maps, Google Earth y la multitud de aplicaciones con interfaces web que permiten acceder a información geográfica de toda clase. Así, estas aplicaciones acercan los SIG a usuarios no especializados, dándoles la posibilidad de utilizarlos y aprovechar parte de sus capacidades.

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Escenario 2. La evolución de la tecnología

La tecnología en la que se basan los SIG es clave para entender todo lo relacionado con ellos, especialmente su evolución en el transcurso del tiempo.

Tres son los bloques principales del desarrollo informático con una influencia más marcada en el campo de los Sistemas de Información Geográfica:

• Salidas gráficas: sin las capacidades de representación gráfica actuales, puede parecer imposible el uso de un SIG, ya que, aunque los procesos de análisis son una parte imprescindible y definitoria de éste y pueden llevarse a cabo sin nece-sidad de visualización, ésta es una de sus herramientas fundamentales. Aunque los primeros ordenadores y las primeras impresoras de mapas carecían de dichas capacidades, éstas han evolucionado y van incorporando mejoras tanto en la representación en pantalla como en la generación de cartografía impresa.

• Almacenamiento y acceso de datos: desde el inicio, el almacenamiento y acceso de datos ha sido un problema clave en el cual se han producido grandes avances. Por una parte, los problemas asociados a los grandes volúmenes de información y, por otra, los relacionados con su lectura, que ha de realizarse de forma fluida pese a dicho volumen. Así se da una evo-lución paralela, es decir, a medida que aumentan las capacidades de almacenamiento y lectura, aumenta el tamaño de los datos espaciales.

• Entrada de datos: los datos geográficos utilizados en los primeros años de los SIG eran datos en papel que se digitalizaban y almacenaban mecánicamente en tarjetas perforadas en un único proceso mecánico. Desde esos sistemas mecánicos de tarjetas hasta los modernos equipos, la aparición de escáneres de gran precisión y técnicas de digitalización automáticas, entre otros, el ámbito de la entrada de datos para su uso en un SIG ha cambiado completamente.

Además del avance de estos factores, la evolución general de los computadores afecta a todos los elementos de software que se ejecutan en ellos. De los grandes computadores se pasa a los computadores personales.

Escenario 3. Evolución de los datos

Los datos son el elemento principal del trabajo en un SIG; sin ellos, sería inútil su creación.

Los primeros datos geográficos con los que se trabajaba provenían de la digitalización de cartografía impresa y las primeras bases de datos geográficos contenían mapas escaneados y elementos digitalizados con apoyo en dicha información.

Por otra parte, van apareciendo nuevas fuentes de datos. Por ejemplo, los primeros satélites de observación terrestre, como el TIROS I, lanzado al espacio en 1960 con fines meteorológicos, en 1980 se funda SPOT, primera compañía mundial en ofrecer con carácter comercial imágenes procedentes de satélite para toda la superficie terrestre. Así, los productos de la teledetec-ción pasan a constituir una fuente de negocio, al tiempo que se incorporan como elementos básicos del análisis geográfico.

Las tecnologías de posicionamiento y localización son otra fuente de datos de primer orden. En 1981, el sistema GPS pasa a ser plenamente operativo y en el 2000 se amplía la precisión de éste para uso civil.

La evolución de los datos de elevación a nivel global llega a un punto histórico en el 2000 con la Shuttle Radar Topographic Mision (SRTM), proyecto conjunto entre la NASA y la National Imagery and Mapping Agency (NIMA), cuyo objetivo es ofrecer información altitudinal. La aparición de nuevas técnicas, como LIDAR, y la necesidad de desarrollar e implementar infraestruc-turas de datos espaciales (IDE) son los retos actuales.

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La figura 4 evidencia el avance de los SIG en cuanto a la evolución de los datos.

Figura 4. Evolución de los datos.

Mapeo Tradicional

Cartografía por computador

Manejo de Basesde Datos Espaciales

Modelamiento

Escenario 4. Evolución de las técnicas y formulaciones

Los problemas iniciales de los pioneros de SIG consistían en el desarrollo y la implementación de programas y en el almace-namiento y la codificación de los datos. Una vez se implementan los primeros SIG y se suplen las necesidades de análisis y gestión de datos espaciales, comienza el proceso de desarrollar nuevas técnicas y planteamientos que permiten ir más allá en dicho análisis. Por ejemplo, McHarg, en su libro Design with nature (1969), define los elementos básicos de la superposición y combinación de mapas, los cuales se aplican en la visualización de las distintas capas de datos geográficos en un SIG. Aunque el proceso de combinación de diversos mapas temáticos ya se había llevado a cabo con anterioridad, es McHarg el encargado de generalizarlas como metodologías de estudio y análisis geográfico, a la vez que tiene un fuerte componente medioambien-tal como herramienta para una mejor gestión del medio.

Otro ejemplo de la evolución de las técnicas y formulaciones es la geoestadística, una rama de la estadística que aparece de la mano del francés Georges Matheron a principios de los años sesenta. Las formulaciones geoestadísticas, hoy parte carac-terística de los SIG, son desarrolladas en esa época desde el punto de vista teórico; actualmente son de gran valor práctico si se realizan con la ayuda de computadores que procesen los grandes volúmenes de datos.

Otro hecho importante es la aparición de los primeros programas de diseño asistido por computador (CAD), pensados en prin-cipio para el diseño industrial. Actualmente, los SIG incorporan capacidades similares a los sistemas CAD, que permiten tanto la digitalización de cartografía como la creación de nuevos elementos geográficos.

Etapas cronológicas en el desarrollo de los SIGLos SIG se desarrollan paso a paso en diferentes países y en diferentes periodos de tiempo. A continuación se evidencian cuatro etapas en las que se enmarca el desarrollo de los SIG.

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Etapa 1. Pionera o frontera de la investigación

Comprendida entre 1950 y 1975, se originó en Estados Unidos y en el Reino Unido. Durante el periodo comprendido entre la década del cincuenta y principios de los años sesenta, se presta gran interés al análisis espacial por parte de los geógrafos y se producen avances notables en el desarrollo de modelos matemáticos más teóricos que prácticos.

Por ejemplo, Torsten Hägerstrand, geógrafo sueco, se interesó en 1952 por el análisis de las superficies en sus modelos de difusión de innovaciones basándose en la compartimentación del espacio por medio de una retícula, que constituye un ante-cedente del software GIS Raster.

El geógrafo Brian Berry propuso en 1964 la utilización de una matriz geográfica en la que se conectan las unidades espa-ciales con sus atributos. Esta matriz permitía tratar cuantitati-vamente de manera ordenada la información asociada a los lugares. Sin dudas, la matriz constituye un claro antecedente de los SIG y es la base del concepto espacio–tabular que és-tos manejan.

Partiendo de estos conceptos básicos, se empiezan a tener en cuenta los conceptos espaciales que han facilitado el de-sarrollo de esta tecnología, la cual ha ido evolucionando de manera paralela a las ciencias informáticas, desarrollando múltiples aplicaciones (Gutiérrez y Gould, 1994).

Figura 5. Estructura DIME.Fuente: www.igac.gov.co:8080/igac_web/UserFiles/File/ciaf/

TutorialSIG_2005_26_02

El primer Sistema de Información Geográfica formalmente desarrollado aparece en Canadá, auspiciado por el Departamento Federal de Energía y Recursos, fue desarrollado a principios de los años sesenta por Roger Tomlinson y se denominó Ca-nadian Geographical Information Systems (CGIS). Esta herramienta tenía por objeto el manejo de los datos del inventario geográfico canadiense y su análisis para la gestión del territorio rural. Así, Tomlinson es conocido como “el padre de los SIG” (Bosque, 1992).

Desde el punto de vista conceptual, el CGIS aportó nuevas ideas aún vigentes, como la estructuración de información en ca-pas temáticas, división de mapas digitales en hojas y ajuste en los bordes, topología de arcos, superposiciones topológicas, entre otras (Gutiérrez y Gould, 1994).

De igual manera, en la misma época (mediados de los años sesenta) el Harvard Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis de la Universidad de Harvard comienza en 1965 a trabajar en el estudio de los modelos de datos geográficos a utilizar en los SIG con el objetivo inicial de utilizar los computadores para generar gráficos con aplicación en la planificación territorial desarrollando el software SYMAP.

La escuela de Harvard desarrolló los sistemas Raster como GRID e IMGRID, en los que se describía el mundo real mediante mosaicos de celdas regulares o irregulares, que posteriormente sirvieron de base para implementar funciones de análisis ba-sados en la superposición de capas (Gutiérrez y Gould, 1994).

Etapa 2. Experimentación y práctica

Comprendida entre 1975 y 1980, momento en el que se utilizaba el diseño asistido por computador CAD. En la segunda parte de la década del setenta se desarrolló una nueva estructura que incorporaba relaciones topológicas como la contigüidad y la conectividad sobre un programa de conversión de datos al añadir la topología arco–nodo a los datos sin estructura de los CAD, denominado POLYVRT.

CALLENODO

ORIGENNODO

DESTINOSECCIÓN

IZDA.

FELIPE

FELIPE

13

14

14

1211

1110

9

1 1

1

11

1

1

1

11

102

101

104

104

103

103

105105

21

19

9

8

40

42AZNARAZNAR

Ejemplo del Formato Básico de un fichero DIMEFuente: (GUTÍERREZ PUEBLA, 1994)

MANZANAIZDA.

SECCIÓN DCHA.

MANZANADCHA.

DIRECCIÓNBAJA

DIRECCIÓNALTA

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Reconocidas las ventajas de los CAD, se comienza a dar paso de los mapas análogos o en papel a los digitales, y es así como nacen los mapas asistidos por computador CAM.

La necesidad de manejar grandes volúmenes de información en formato digital obliga al Bureau of Census y el United States Geological Survey en Estados Unidos a desarrollar una estructura de Dual Independent Map Encoding (DIME) (figura 5), uno de los primeros modelos de datos que incluía explícitamente la topología de la información espacial (Bosque, 1992; Gutiérrez y Gould, 1994).

La década del setenta termina con la salida del programa ODYSSEY del laboratorio de la Universidad de Harvard, un verda-dero gestor de Sistema de Información Geográfica que incluye la digitalización semiautomática de datos espaciales, la gestión de bases de datos y la elaboración interactivas de los datos.

Etapa 3. Crecimiento comercial

A partir de los años ochenta, el desarrollo del los SIG ha tenido un crecimiento exponencial y definitivo que ha sido posible gracias al desarrollo de los computadores y los sistemas de programación. Las empresas privadas tomaron el relevo de las entidades públicas, que en los primeros años financiaron el desarrollo de los SIG. Hoy en día, cada vez son más los programas ofertados que se encuentran en el mercado, algunos de ellos libres. Todos estos desarrollos que se mejoran con el avance de la tecnología permiten la creación de software para implementación de los SIG.

Figura 6. Modelo orientado a objetos.

xxx x

xx

xx

x

x x x

x

x

x

x x x

x

xx

x

x xx

xx

x x

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x

x

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x

xxxx

x x xxxx

xxx

x

x

x xx

x x

x

x

xx

x

xGeneración Entidades Cartográficas

Entidades Curva Nivel- tipoCurva[1]: TipoCurva=1

<<refines>>

<<Clase Geográfica>>CurvaNivel

OID[1]: CLSID=12+Línea[1]:Línea

<<Enumerado>>TipoCurva

<<Subtipo>><<Subtipo>>

IntermediaDirector a

+SID[1]: STYPEID=3+SID[1]: STYPEID=1+texto[1]:Texto

+Terreno[1]: Long=1+Batimetrica[1]: Long=2+Depresion[1]: Long=3 1 1...*

LINEAL ANILLO ESTRELLA ARBOL

MALLA MALLA TOTALMENTECONECTADA

HIPERCUBO

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En 1981, se lanza al mercado de manera oficial ArcInfo como el primer sistema de software comercial de SIG importante. Diseñado para microcomputadores, basado en vector y en el modelo de datos relacional de bases de datos, fijó un nuevo estándar para la industria. A partir de allí se comienzan a desarrollar programas como IDRISI, ERDAS, los cuales formalizan la potencialidad del software Raster.

En 1985, los ingleses presentaron un modelo orientado a objetos (figura 6) en el cual se consideraba el paisaje tal como era realmente, es decir, todo se conforma en partes y las partes se integran para formar objetos.

Toda vez que gran parte de los avances que se han alcanzado en esta disciplina corresponden a científicos norteamerica-nos, hay que señalar que uno de los hitos más importantes fue la creación del Centro Nacional para la Información y Análisis Geográfico (NCGIA) por parte de la Fundación Nacional De ciencias de Estados Unidos en 1988; su finalidad era desarrollar investigación básica sobre el análisis geográfico utilizando SIG (Bosque, 1992).

Etapa 4. Dominio de los usuarios

En la década del noventa es importante citar el Open Geospatial Consortium (OGC), creado en 1994, que agrupa a más de 250 organizaciones públicas y privadas. Su propósito es la definición de estándares abiertos e interoperables en los SIG. Bus-ca concretar acuerdos entre las diferentes empresas del sector que posibiliten la interoperación de sus sistemas de geoproce-samiento y facilitar el intercambio de la información geográfica en beneficio de los usuarios. Anteriormente fue conocido como Open GIS Consortium.

Siglo XXI

Figura 7. Interacción de los SIG con otros temas.

SIG MOVIL (grafico) Es la unificación de tres tecnologías diferenciadas encaminadas a la gestión eficiente de los objetos

puntuales y espaciales allí donde se requiere: GPS, computador

portátil y software SIG, con estos dispositivos de localización integrados, el software SIG

permite utilizarlos para la captura y manejo de datos en campo.

AGRICULTURA DE PRECISION

Con el poder analítico del SIG ahora es posible integrar

métodos de colección de datos de campo con otras fuentes de datos como percepción remota y GPS para proporcionar una

herramienta que permita maximizar los rendimientos de

los cultivos

SERVICIOS WEB DE INFORMACION GEOGRAFICA Se define como “componente de aplicación programable al que se

puede acceder mediante protocolos estándar de internet

lo cual va a garantizar las comunicaciones de extremo a

extremo Grasa, 2003”, es decir, entre el cliente y el proveedor de

servicio web.

Sistemas de Información

Geográfica SIG

INFRAESTRUCTURA DE DATOS ESPACIALES IDE

A través de políticas, técnicas y mecanismos se incentiva a los

países, gobiernos, organizaciones para compartir conocimientos e información

espacial entre los diversos grupos de trabajo.

NAVEGACION EN TRES DIMENSIONES

La información necesaria para las funcionalidades de un

SIG en 3D, es el modelo digital del terreno MDT y la

superposición sobre el mismo de la ortofotografía o imagen

satelital georeferenciada. SISTEMAS DE INFORMACION

INTEGRADA SIIPermite integrar las capacidades de los SIG, sensores remotos, sistemas expertos, modelos

medio ambientales, multimedia y la realidad virtual para

proporcionar una respuesta eficiente al usuario.

La tecnología de Internet permitirá difundir e integrar el conocimiento geográfico alrededor del mundo. Los SIG ayudarán a la planifica-ción, el diseño y la construcción de ciudades, obras civiles, organiza-ción y protección del ambiente en que vivimos (IGAC–CIAF, Notas de clase Fundamentos de SIG, 2004).

El medio en el cual se desarrolla-ron las herramientas tecnológicas correspondió a las ciencias de te-ledetección, análisis de imágenes, reconocimiento de patrones y pro-cesamiento digital de imágenes PDI con un trabajo multidisciplina-rio, llegando a ser posible la utiliza-ción de los SIG.

En la actualidad y en el futuro in-mediato, los SIG desempeñarán un papel muy importante en la im-plementación de temas como los que se observan en la figura 7.