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
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.
Componentes de la información geográfica
Un dato geográfico georeferenciado esta ligado a unas coordenadas que lo
relacionan con una ubicación concreta.
Concepto de dato geográfico
Componentes de la información geográfica
x
y
Qué sé de esta entidad?
Donde está?
5
Componentes de la información geográfica
Qué más sé de esta entidad?
Casa
Qué es?
6
Componentes de la información geográfica
Información geográfica:
Componente espacial
Componente temática
7
Componentes de la información geográfica
Que más sé de esta entidad?
Cómo se relaciona
espacialmente
con otras entidades?
8
Componentes de la información geográfica
Información
geográfica:
Componente
espacial
Componente temática
Localización
absoluta
Localización
relativa
(Topología)
9
Componentes de la información geográfica
• 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)
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
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.
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
Ventajas estructuras ráster• Son estructuras muy simples
MDE Foto Satélite Usos suelo
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
Desventajas de las estructuras vectoriales
• No permite análisis espacial y filtrado dentro de polígonos
Mismo valor para todo el polígono
Polígono simplifica realidad
Modelos de datos: raster y vectorial
Estadísticos de vecindad
Ventajas de las estructuras ráster• Permite diversos algoritmos y métodos para el análisis espacial
Modelos de datos: raster y vectorial
Ventajas de las estructuras ráster• Permite diversos algoritmos y métodos para el análisis espacial
Aplicación de estadísticos zonales a mapa ráster
Modelos de datos: raster y vectorial
Ventajas de las estructuras ráster• Facilidad para representar fenómenos continuos (superficies)
Modelos de datos: raster y vectorial
Ventajas de las estructuras ráster• Permite integrar imágenes de satélite
Modelos de datos: raster y vectorial
Desventajas de las estructuras ráster• Las estructuras ráster ocupan grandes volúmenes de datos
180 Puntos12 Puntos
Modelos de datos: raster y vectorial
Desventajas de las estructuras ráster• Se puede producir perdida de resolución debido al tamaño de pixel
Mapa vectorial
Ráster 100m
Ráster 50m
Modelos de datos: raster y vectorial
Desventajas de las estructuras ráster• Mapas ráster de baja-media resolución son menos vistosos que vectoriales
Modelos de datos: raster y vectorial
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
Modelos de datos: raster y vectorial
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)
Modelos de datos: raster y vectorial
Ventajas y desventajas de las estructuras vectoriales
Fácil descripción de la topología de redes y árboles
Modelos de datos: raster y vectorial
Ventajas y desventajas de las estructuras vectoriales
La combinación de datos vectoriales y ráster es complicada
RASTERIZACIÓN
VECTORIZACIÓN
Modelos de datos: raster y vectorial
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)
La estructura de datos raster
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 estructura de datos raster
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 estructura de datos raster
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
La estructura de datos raster
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
La estructura de datos raster
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 estructura de datos raster
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.
La estructura de datos raster
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
Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM)
UTM
Proyección Universal Transversa de Mercator (UTM)
España se sitúa en su mayoría en la zona 30N, y tiene como meridiano central el de -3º
UTM
Proyección Universal Transversa de Mercator (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
UTM
La estructura de datos raster
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.
La estructura de datos raster
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.
La estructura de datos raster
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…
La estructura de datos raster
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)