Tema 4. SIG y Teledetección

1 Definición de SIG

El National Center for Geographic Information and Analysis de USA los define como Sistema de hardware, software y procedimientos elaborados para facilitar la obtención gestión, manipulación, análisis, modelado, representación y salida de datos espacialmente referenciados para resolver problemas complejos de planificación y gestión (NCGIA, 1990)

La base de un Sistema de Información Geográfica es una serie de mapas digitales representando diversas variables, o bien mapas que representan diversos objetos a los que corresponden varias entradas en una base de datos. Esta estructura permite combinar, en un mismo sistema, información con orígenes y formatos muy diversos lo que permite incrementar el grado de conocimiento.

Figura 1: Esquema de la base de datos de un SIG

Para el tratamiento de este tipo de sistemas, se han desarrollado un tipo específico de aplicaciones informáticas que popularmente se conocen cómo SIG (IDRISI, ArcInfo, GRASS, etc.), pero que realmente constituyen tan sólo un componente de lo que es realmente un SIG. Podríamos considerar, en sentido amplio que un SIG está constituido por:

  1. Bases de datos espaciales en las que la realidad se codifica mediante unos modelos de datos específicos.
  2. Bases de datos temáticas cuya vinculación con la base de datos cartográfica permite asignar a cada punto, linea o área del territorio unos valores temáticos.
  3. Conjunto de herramientas que permiten manejar estas bases de datos de forma útil para diversos propósitos de investigación, docencia o gestión.
  4. Conjunto de ordenadores y periféricos de entrada y salida que constituyen el soporte físico del SIG. Estas incluyen tanto el programa de gestión de SIG cómo otros programas de apoyo.
  5. Comunidad de usuarios que pueda demandar información espacial.
  6. Administradores del sistema encargados de resolver los requerimientos de los usuarios bién utilizando las herramientas disponibles o bien produciendo nuevas herramientas.
Visión estereográfica con SIG

2 Modelos de datos espaciales. El modelo raster

El modelo ráster divide el área de estudio en una agrupación de celdas cuadradas ordenadas en una secuencia específica. Cada una de estas celdas recibe un único valor que se considera representativo para toda la superficie abarcada por la celda, por tanto se considera que el modelo ráster cubre la totalidad del espacio. Un conjunto de celdas, junto con sus valores se denomina una capa ráster.

Este modelo responde a una concepción del mundo como un continuo que puede describirse mediante un número de variables (altitud, pendiente, temperatura media de Julio, tipo de suelo, etc.) que toman valores diferentes en diferentes localizaciones definidas por un sistema de coordenadas. Cada variable se representa así mediante una capa. El modelo vectorial responde a una concepción del mundo basada en objetos con límites definidos.

Aspectos espaciales

Sin embargo una capa ráster tal como se codifica en un ordenador es simplemente una lista de números sin ninguna georreferenciación explícita. Se necesita, por tanto, cierta información sobre esta matriz que permita al programa y al usuario ubicarla en el espacio, leer sus valores y entender su significado. Esta información incluye:

Hay una serie de convenciones acerca de la forma de representación. Así la primera columna en una capa ráster es la de la izquierda, mientras que la primera fila será la superior aumentando hacia abajo, en sentido contrario al que siguen las coordenadas geográficas y las representaciones en un modelo vectorial. Todo ello da lugar a una serie de relaciones entre las variables que definen la situación espacial de las celdas:

Número de celdas = nc·nf

Normalmente rx y ry son constantes y van a tener el mismo valor. En algunos casos no es así, por ejemplo en el caso de imágenes de satélite de baja resolución que se ven afectadas por la curvatura de la Tierra

Las ecuaciones para obtener las coordenadas del centro de cada celda partiendo de su número de columna y de fila son:

X=minX + (col+0.5)*resx

Y=minY + (fil+0.5)*resy

A la inversa pueden obtenerse el númro de columna y de fila a partir de los valores de X e Y: col=int(X-minX)/resx

fil=int(Y-minY)/resy

Estas dos últimas ecuaciones asumen además la convención de que la primera fila y la primera columna son la fila 0 y la columna 0.

3 Operaciones con mapas raster

4 Algebra de mapas.

El álgebra de mapas constituye el marco teórico de la mayor parte de las operaciones realizadas con SIG a partir de capas de información de tipo raster. Pueden desarrollarse operaciones de muy diverso tipo que se clasifican (Tomlin, 1990) en:

Operadores locales

Los operadores locales generan una nueva capa a partir de una o más capas previamente existentes. Cada pixel de la nueva capa recibe un valor que es función de los valores de ese mismo pixel en las demás capas.

Zmxy = f(Z1,xy,Z2,xy,Zn,xy)     (1)

la función representada por f() puede ser aritmética, lógica o una combinación de ambas. El caso más simple de operador local es la reclasificación o asignación de nuevos valores a diversos pixeles en función de los valores previos:

Zm,xy = f(Z1,xy)     (2)

Sin embargo se admiten casos más complejos utilizando varias capas basados en el álgebra de mapas. Un buen ejemplo sería la estimación de la erosión potencial mediante el modelo de la USLE E=R x K x S x L x C x P:

ZE,xy = f(ZR,xy,ZK,xy,ZLS,xy,ZC,xy,ZP,xy)     (3)


Operadores de vecindad

Los operadores de vecindad adjudican a cada pixel un valor que es función de los valores de ese mismo pixel y de los 8 pixeles contiguos, en una o varias capas. Los ejemplos más habituales son el filtrado de imágenes y el cálculo de pendiente y orientación a partir de un Modelo Digital de Terreno.

El filtrado de imágenes actúa moviendo una ventana, generalmente de 3x3 celdas, por toda la capa que recorre la capa entera. Esta ventana adjudica al pixel central la media ponderada de los 9 pixeles que abarca. A partir de diferentes coeficientes de ponderación se consiguen diferentes resultados.

La pendiente se puede estimar con diferentes procedimientos, los más habituales utilizan la máxima diferencia entre el valor en el pixel central y los valores de los pixeles vecinos, o bien calculan una pendiente media. En algunos casos, pixeles correspondientes a cauces en aplicaciones de tipo hidrológico, puede ser preferible considerar la pendiente en el sentido del flujo. La orientación puede obtenerse como orientación media o como la dirección hacia la que se sitúa la mayor pendiente.


Operadores de vecindad extendida

Son aquellos que afectan a zonas relativamente extensas que cumplen determinado criterio pero cuya localización precisa no se conoce previamente. Por tanto el operador (programa) debe determinar previamente cual es el área que cumple dichas características. Entre los casos más habituales están:

Operadores de área

Son aquellos que calculan algún parámetro (superficie, perímetro, índices de forma, distancias, estadísticos) para una zona previamente conocida. Puede tratarse de diferentes niveles de una variable cualitativa (superficies con diferente litología por ejemplo) o digitalizada e introducida por el usuario.

5 SIG y teledetección

Una imagen de satélite, o una fotografía aérea escaneada, no es más que una capa raster sin georreferenciar, por tanto las vamos a poder almacenar, manejar, analizar, etc. en un entorno SIG. Todas las operaciones que requiere la teledetección pueden hacerse con un SIG, pueden distinguirse tres modos de operar: El proceso clásico de tratamiento de una imagen de satélite sería:
  1. Corrección geométrica o georreferenciación. Es decir darle a cada pixel sus coordenadas correspondientes
  2. Corrección atmosférica. Eliminar en la medida de lo posible las distorsiones que el efecto de la atmósfera introduce en la imagen
  3. Interpretación visual, incluyendo realce de imágenes y composiciones de color para resaltar aquello que nos interesa ver
  4. Cambios de variables. Obtención de variables físicas a partir de los datos de reflectividad
  5. Clasificación de la imagen (diferentes usos del suelo y cambios en los mismos)
Manual de mapcalc en PDF (GRASS)