bases de datos espacialestitulaciongeografia-sevilla.es/contenidos/profesores/...2020/02/09 · a1,...

1. Componentes de la información geográfica

2. Modelos de datos: raster y vectorial

3. La estructura de datos raster

4. Aspectos claves de los datos raster

5. La Georreferenciación

6. Escala y Resolución

7. Organización de los datos raster

8. La diversidad de tipos de datos raster

Joaquín Márquez Pérez ([email protected]), Esperanza Sánchez Rodríguez ([email protected]) y Víctor Rodríguez Galiano

([email protected])Departamento de Geografía Física y AGR Universidad de

Sevilla

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Unidad observación Variable o atributo

temático

Dato convencional

Entidad sobre la que se observa un fenómeno o se

efectúan mediciones

Cualquier hecho observado que adopte diferentes modalidades en cada observación

EDAD

TIPO

FORMA

Fuente: Ismael Vallejo

Componentes de la información geográfica

Concepto de dato geográfico

Cualquier dato que contenga una referencia implícita o explicita

a una localización.


Un dato geográfico georeferenciado esta ligado a unas coordenadas que lo

relacionan con una ubicación concreta.

Concepto de dato geográfico


x

y

Qué sé de esta entidad?

Donde está?

5


Qué más sé de esta entidad?

Casa

Qué es?

6


Información geográfica:

Componente espacial

Componente temática

7


Que más sé de esta entidad?

Cómo se relaciona

espacialmente

con otras entidades?

8


Información

geográfica:

Componente

espacial

Componente temática

Localización

absoluta

Localización

relativa

(Topología)

9


• El modo de representar la información geográfica pretende:

• Ser fiel a la realidad (localización y exactitud temática)

• Optimizar el espacio

• Maximizar la adecuación de acuerdo al análisis que se va a realizar

Mundo real

Usos del suelo

Topografía

Parcelas y límites

Vías de comunicación

Población

Ab

stra

cció

n d

el m

un

do

real

Un modelo es una representación simplificada de la realidad, una abstracción delmundo real que incorpora al modelo tan solo aquellas propiedades que sonimportantes, en función de un determinado objetivo.

Modelos de datos: raster y vectorial

Concepto de estructura vectorial

• Representación de los “objetos” espaciales codificando explícitamente sus fronteras

• Para codificar las fronteras de los objetos espaciales, se almacenan sus coordenadas

Realidad (objeto) Fronteras (segmentos) Vectorización (coordenadas)


Concepto de estructura vectorial

• Los 3 elementos primarios para la representación vectorial de un objeto espacial son:

• Punto

• Línea

• Polígono

Mundo real Estructura vectorial

Polígono

Línea

Punto

Bosque Casa

Río


Tipos de estructuras vectoriales• Estructura vectorial

1. Lista de coordenadas (estructura espaghetti)

2. Diccionario de vértices

3. Estructuras DIME

4. Formato Arco-Nodo

• Otras estructuras vectoriales

4. TIN

5. Vectorial de isolíneas


Tipos de estructuras vectoriales

IV. Formato Arco-Nodo

• Es la estructura más característica de los SIG vectoriales

• Arco: Sucesión de segmentos rectos entre dos nodos

• Nodo: Cada vértice en el que se cruzan 3 o más arcos, o el vértice terminal de un arco.

• Utilizada en ArcGIS

• En esta estructura se especifican relaciones topológicas:

• Las líneas que están conectadas.

• Los segmentos que delimitan un polígono.

• Los polígonos que son contiguos.


Tipos de estructuras vectoriales

IV. Formato Arco-Nodo

a1a2a3a4a5a6a7

N1N2N3N4N3N5N6

N2N3N1N1N2N5N6

EEEAABB

ABAABBC

Topología de arcos

ArcoNodo inicial

Nodo final Pol. izq Pol. der

Coordenadas de arcos

Arco X, Y inicial X, Y media X, Y final

a1a2a3a4a5a6a7

40, 6070, 5010, 2540, 6010, 2530, 2055, 27

70, 6070, 10; 10, 1010, 6030, 5020, 27; 30, 30; 50, 32---55, 15; 40, 15; 45, 27

70, 5010, 2540, 6030, 4070, 5030, 2055, 27

ABC

a1, a5, a3, -a4a2, a5, -a6, -a7a7

Topología de Polígonos

Polígono Arcos

N1N2N3N4N5N6

a1, a3, a4a1, a2, a5a2, a3, a5a4a6a7

Topología de nodos

Nodo Arcos


Concepto de estructura ráster

• Diferencias con la estructura vectorial:

Estructura ráster: Codifica el interior del objeto

Estructura vectorial: Codifica las fronteras o límites del objeto

Realidad


Ventajas y desventajas de los modelos Ráster y Vectorial

VENTAJAS

RASTER VECTORIAL

Estructura de datos muy simple Elevada precisión

Facilidad para representar fenómenos

continuos (superficies)

Facilidad de integración con software

CAD vectoriales

Alta capacidad para superposición y

combinación de capas

Mapas de elevada calidad

Capacidad de realización de análisis

estadísticos espaciales

Capacidad de realizar análisis de redes

Capacidad de integrar datos de satélite Estructuras con topologías (arco-nodo)

Capacidad de incorporación de imágenes Ficheros de bajo tamaño (datos

compactos)

DESVENTAJAS

RASTER VECTORIAL

Baja precisión (según el tamaño de pixel) Estructuras de datos complejas

Dificultad de integración con CAD Dificultad para representar fenómenos

continuos (superficies)

Mapas de menor calidad Menor capacidad para combinar capas

Incapacidad para realizar análisis de

redes

Incapacidad de realizar análisis

estadísticos espaciales

Estructuras de datos sin topología Dificultad para integrar datos de satélite

Ficheros de gran tamaño Incapacidad para el tratamiento de

imágenes


Ventajas estructuras ráster• Son estructuras muy simples

MDE Foto Satélite Usos suelo


Desventajas de las estructuras vectoriales• Estructura de datos compleja (formato DIME, arco-nodo)

a1a2a3a4a5a6a7

N1N2N3N4N3N5N6

N2N3N1N1N2N5N6

EEEAABB

ABAABBC

Topología de arcos

Arco

Nodo inicial

Nodo final Pol. izq Pol. der

Coordenadas de arcos

Arco X, Y inicial X, Y media X, Y final

a1a2a3a4a5a6a7

40, 6070, 5010, 2540, 6010, 2530, 2055, 27

70, 6070, 10; 10, 1010, 6030, 5020, 27; 30, 30; 50, 32---55, 15; 40, 15; 45, 27

70, 5010, 2540, 6030, 4070, 5030, 2055, 27

ABC

a1, a5, a3a2, a5, 0, a6, 0, a7

Topología de Polígonos

Polígono Arcos

N1N2N3N4N5N6

a1, a3, a4a1, a2, a5a2, a3, a5a4a6a7

Topología de nodos

Nodo

Arcos


Ventajas de las estructuras ráster• La superposición y combinado de mapas es simple (algebra de mapas)

Superposición pixel a pixel Operaciones de algebra de mapas


Desventajas de las estructuras vectoriales

• No permite análisis espacial y filtrado dentro de polígonos

Mismo valor para todo el polígono

Polígono simplifica realidad


Estadísticos de vecindad

Ventajas de las estructuras ráster• Permite diversos algoritmos y métodos para el análisis espacial


Ventajas de las estructuras ráster• Permite diversos algoritmos y métodos para el análisis espacial

Aplicación de estadísticos zonales a mapa ráster


Ventajas de las estructuras ráster• Facilidad para representar fenómenos continuos (superficies)


Ventajas de las estructuras ráster• Permite integrar imágenes de satélite


Desventajas de las estructuras ráster• Las estructuras ráster ocupan grandes volúmenes de datos

180 Puntos12 Puntos


Desventajas de las estructuras ráster• Se puede producir perdida de resolución debido al tamaño de pixel

Mapa vectorial

Ráster 100m

Ráster 50m


Desventajas de las estructuras ráster• Mapas ráster de baja-media resolución son menos vistosos que vectoriales


Desventajas de las estructuras ráster• Incapacidad para realizar análisis de redes

Las líneas están representadas como sucesiones de pixeles; no se puede establecer conexiones, ni ver direcciones, etc.

1

2

3

4


Ventajas y desventajas de las estructuras vectoriales

Mapa geológico en formato vectorial

Mucha precisión en la representación

Buena representación de los objetos geográficos (Mapas muy precisos)



Fácil descripción de la topología de redes y árboles



La combinación de datos vectoriales y ráster es complicada

RASTERIZACIÓN

VECTORIZACIÓN


Concepto de estructura raster

• Malla regular de celdas georreferenciadas en la que cada celda representa un valor

• Los objetos geográficos no se representan por sus límites, sino por su contenido, quedando sus límites implícitamente representados

• Todo el espacio es dividido regularmente en “celdas”.[Pixel]

• La posición de los objetos está definida por la fila-columna que ocupan las celdas que los definen.

• El área que representa cada celda define la resolución de la información. [Resolución Espacial]

Mundo real

Estructura ráster

La estructura de datos raster

• Proceso de rasterización:

Superposición de una malla regular (p.e. cuadrados) a los objetos que queremos codificar en formato ráster

Realidad:Objetos espaciales

Superposición de malla regular de celdas

Codificación del interior de objetos mediante valores num.

Problema: Precisión en la definición de los objetos (o fronteras)


Serie de celdillas, ordenadas de izquierda a derecha y de arriba a abajo, queconforman una malla de filas y columnas. Cada celdilla contiene un valor numéricoque representa el valor que toma la variable objeto de estudio (sea cuantitativa ocualitativa) en la superficie representada por la celdilla


La selección del tamaño del pixel es muyimportante e influye en:

-Nivel de detalle (escala de trabajo)-Volumen de datos

Las coordenadas vienen expresadas en filas ycolumnas y el origen de las mismas seencuentra en el ángulo superior izquierdo.

Se asignan valores a cada pixel, incluso si nohay información temática asociada(NODATA).


La TOPOLOGÍA está implícita en la regularidad de la rejilla, de manera queconocemos sin dificultad cuales son los vecinos de cualquier elemento

Los ATRIBUTOS TEMÁTICOS: cada una de las variables temáticas se almacena comouna capa independiente (una matriz numérica).

C (n. columnas) = 10

F (

n.

fila

s) =

9

f(i,j) = f(7,3) = 32


Todas las celdillas tienen igual forma y tamaño. Su forma suele ser cuadrada orectangular, aunque también podría ser hexagonal o triangular

El tamaño al que corresponde una celdilla del raster en la realidad se llamaRESOLUCIÓN ESPACIAL. Como las celdillas suelen ser cuadradas, se indica mediantela longitud de uno de los lados del cuadrado.

Para aumentar la resolución espacial de un raster es necesario aumentar el número deceldillas, manteniendo uniforme su extensión

Este aumento de la resolución implica un gran aumento del volumen de información almacenada.

10 x 10 celdillas de 10 * 10 m.100celdillas

20 x 20 celdillas de 5 * 5 m.400celdillas

La resolución aumenta al doble

El número de celdillas se cuadruplica


Cuando se encuentran muchas celdillas adyacentes con igual valor, se puedereducir el espacio de almacenamiento usando técnicas de compresion

El método de compresión RLE (“Run Length Encoding”) es utilizado por muchosformatos de imagen (BMP, PCX, TIFF). Se basa en la repetición de elementosconsecutivos.

El principio fundamental consiste en codificar un primer elemento al dar el númerode repeticiones de un valor y después el valor que va a repetirse. Por lo tanto, segúneste principio, la cadena “AAAAAHHHHHHHHHHHHHH” cuando estácomprimida da como resultado "5A14H". La ganancia de compresión es (19-5) / 19,es decir, aproximadamente 73,7%.

Sin embargo, cuando cada celda tiene un valor diferente de los que la rodean(superficies), la imagen no debe compactarse, ya que ocuparía aún más espacio:para la cadena "CORRECTLY", donde hay poca repetición de caracteres, el resultadode la compresión es “1C1O2R1E1C1T1L1Y”. Por lo tanto, la compresión genera uncosto muy elevado y una ganancia de compresión negativa de (9-16) / 9, es decir, ¡-78%!


La gran ventaja del raster respecto al modelo vectorial es que no es necesario describir explícitamente lascoordenadas de cada elemento porque el espacio está subdividido en unidades de igual tamaño (celdillas).

Para conocer la situación de cada celdilla basta con localizar el número de fila y columna en que se ubica, siempreque se conozcan:

•las coordenadas de alguna de las esquinas, y•el tamaño del píxel.

Estos dos datos deben acompañar a cada archivo raster, ya sea en otro archivo, que se denomina “de cabecera”,o bien dentro del principal, dependiendo del format.


0

1

2

3

4

5Fila

s

0

Coordenadas de la esquina superior izquierda

ETRS89 UTM 30N 969768 5786973

Fila 6, Columna5

Tamaño del píxel : 15 *

15 m.

X mínima = 969768 X máxima = 969918

Las coordenadas del centro del píxel secalculan:

Coordenada X = 969768 + (4.5 * 15) = 969835.5

Coordenada Y = 5787123 - ( 5.5 * 15) = 5787040.5

Coordenada de la esquina Tamaño del pixel

Posición en fila o columna del punto que meinteresa

ETRS89 UTM30N 969835.5 5787040.5

Ymáxima

= 5787123

Ymínima

= 5786973

Columnas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

6

7

8

9

10

Proyección cilíndrica transversal de Mercator

Proyección cilíndrica transversal conforme

Mínima distorsión a lo largo de su meridiano central (conserva la escala)

UTM

Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM)

No es una proyección en sí misma sino más bien un sistema basado en la proyección Transversal de Mercator

El globo está dividido en 60 franjas de 6º de longitud y 8º de latitud cada una (husos). Cada franja tiene su meridiano central.

Los límites de cada zona son 84º al N y 80º al S, ocurriendo la división entre N y S en el ecuador

Diseñada para que el error de escala no exceda el 0,1 % dentro de cada zona (mínima distorsión)

Cada huso se divide en 20 bandas entre paralelos, denominadas de sur a norte con las letras de la C a la X

UTM


UTM


España se sitúa en su mayoría en la zona 30N, y tiene como meridiano central el de -3º

UTM


Para la localización horizontal (Este-Oeste), el origen será el meridiano central de cada zona UTM, es decir, los meridianos de longitud 3º, 9º, 15º, 21º…. Dicho meridiano tendrá para nosotros coordenada 500 Km Este.

Para localización vertical (Norte-Sur), el origen será el ecuador (latitud 0º). Si nos situamos en el hemisferio Norte el ecuador tendrá para nosotros coordenada vertical 0. Si nos situamos en el hemisferio Sur, el ecuador tendrá para nosotros coordenada vertical 10.000 Km

UTM


El concepto de escala hace referencia al tamaño de la representación de un

objeto en relación con su tamaño real.

La resolución espacial de una capa raster es el tamaño de una celdilla sobre

el terreno, es decir, en la realidad.

Indica el nivel de detalle con que se ha recogido la información.

Tiene que ver con lavisualización de los datos.

Una misma capa raster, con la misma resolución espacial, puede representarse a diferentes escalas en función del tamaño al que se visualice cada celdilla.


Podemos cambiar la escala sin cambiar la resolución y

viceversa. Aumentar el tamaño al que vemos una celdilla (la

escala) no aumenta el nivel de detalle de la información.

El nivel de detalle de la información contenida en un

raster viene dado por su resolución espacial.

Imagen a escala 1:25.000 Resolución = 10 m.

Mapa a escala 1:50.000

Imagen a escala 1:50.000

Resolución = 10 m.

Cambio de escala

Imagen a escala 1:50.000

Resolución = 5 m.


Debido a que los aspectos espaciales y temáticos se almacenan

juntos en la imagen, la organización de los datos raster es mucho

más simple que en el modelo de datos vectorial.

La forma de organización más usual es mediante “ficheros simples”: los valores

de cada variable se almacenan en ficheros separados (cada uno con su

cabecera). Es el caso del programa Idrisi:

En otros casos, como en el formato raster nativo de ArcGis (GRID), cada capa

se integra en una carpeta separada, aunque existe una carpeta común para

todas ellas (INFO):

Para algunos tipos de datos raster, como fotografías aéreas o imágenes de

satélite, existe la posibilidad de ficheros

RASTER MULTIBANDA

un solo fichero que almacena para cada celdilla varios valores, que

corresponden a distintas capas (llamadas BANDAS). Varios tipos de archivo

soportan este formato, como por ejemplo TIFF, BIP, BIL, MrSid, etc…


Los tipos de datos que puede contener un archivo raster pueden clasificarsesegún diferentes criterios, como por ejemplo:

•En función del tipo de variable que representen: cualitativa o cuantitativa (discreta o continua)

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