Fundamentos de Sistemas de Información Geográfica (GIS)

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Ha sido una asignatura demasiado teórica, que me recordaba a la universidad, cuando te soltaban tochos y tochos de información, que luego nunca utilizas. De todas formas la teoría es completa y bien documentada. Hay también propuestas prácticas, pero haría falta mucho más tiempo. Aún así me parece interesante para comenzar a utilizar software GIS, que al fin y al cabo es lo que yo buscaba.

Unidades Didácticas ( 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12)

Modulo I

UD1 Introducción a los Sistemas de Información Geográfica (SIGs)

UD2 Modelos Espaciales de Datos

UD3 Modelo Entidad-Relación

UD4 Estructuras de Almacenamiento de Datos

  1. Estructuras de Almacenamiento
    1. Diseño Físico: almacenamiento en soporte
    2. Diseño Lógico: reglas de interpretación de los datos
    3. Tipos: Sistemas de Ficheros y SGBD
  2. Ficheros
    1. Definición Lógico: Registro, Campo
    2. Definición Física: Bits almacenados en ficheros texto (ascii) o binarios
    3. Para gestionarlos: software específico diseñado ad-hoc
    4. Estructura: campos de longitud fijas/variables y registros de longitud fija/variable
    5. Inconvenientes
      1. Dependencia entre estructuras físicas y lógicas
      2. Dependencia de la aplicación respecto a la estructura de almacenamiento
      3. Responsabilidad del usuario el diseño de datos
      4. La gestión tiene problemas con: la integridad, la consistencia, la concurrencia y las medidas de seguridad
  3. BD y SGBD
    1. Físicamente es un conjunto de archivos interrelacionados
    2. Lógicamente es una representación de los datos del mundo real
    3. Un SGBD sirve para gestionar el acceso a la BD
    4. Características de una BD y los SGBD
      1. Almacenamiento Estructurado. Independencia Física/Lógica
      2. Almacenamiento Integrado
      3. Acceso Compartido
      4. Funciones Básicas: DDL, DML y DCL
      5. Otras: seguridad y control
  4. Tipos de SGBD
    1. Jerárquicos. Unidad el registro, se relaciona jerárquicamente (hijos/padres). Acceso direccional. Problemas con la relación M:N
    2. En Red. Igual que Jerárquicos, aunque un nodo/registro puede relacionarse con otro nivel (un hijo puede tener varios padres). Más complejo, y permite relaciones M:N . Si aumenta complejidad y relación de datos, es muy complejo.
    3. Relacionales. Utilizan tablas (filas/columnas)
    4. Orientados a Objetos. Utilizan Objetos (clases, herencia, etc)
    5. Relacionados Orientados a Objetos
  5. SGBDR
    1. Tipos de Datos: numéricos (exactos, aproximados), caracteres/cadenas, fecha/hora, bits/cadenas
    2. Estructura: columnas/atributos, Filas/tuplas, tablas/relaciones, grado/numero columnas, propiedad cardinal/numero filas
    3. Claves: Superclave, Candidata, Primaria, Externa/Ajena
    4. Restricciones: de clave primaria, de clave ajena (integridad referencial)
    5. Dependencia Funcional: R.X->R.Y Es decir, X determina el valor de Y. Valores diferentes de X son valores diferentes de Y
    6. Dependencia Funcional Completa: Cuando no hay dependencia parcial de un subconjunto de X. Sólo ocurre cuando X es más de un atributo (compuesto)
    7. Dependencia Funcional Transitiva. X->Z, Z->Y, Z->X => X->Y
    8. Normalización: reducir al mínimo las duplicaciones de datos.
    9. Tipos de Normalización: 1 FN (al menos una clave primaria, valor atómico e indivisible, orden irrelevante), 2FN (dependencia funcional plena de los atributos no claves, respecto a la clave primaria), 3FN (dependencia funcional completa y NO transitiva de los atributos no clave respecto a la clave primaria), BCC (todo determinante de la tabla es una clave candidata)
    10. Normalizar significa ir descomponiendo una tabla en varias
    11. Tipos de Relaciones entre Tablas: uno a uno (1:1), uno a varios (1:N), varios a varios (N:M)
  6. Estructuras en sistema GIS
    1. Modelos Genéricos: uno espacial (vectorial/raster) y otro descriptivo (modelo E/R)
    2. Programas SIG
      1. Híbridos: espacial en ficheros, descriptivo en SGBDR
      2. Integrados: sobre SGBDR o sobre ficheros
    3. Sistemas Híbridos
      1. Problemas a resolver
        1. Consultas por Atributos (localización de la información espacial a partir de atributos)
        2. Consultas de carácter espacial (localicación de los atributos de las entidades a partir de información espacial)
        3. Relacionar ficheros gráficos (info espacial) con tablas (info descriptiva)
      2. Mecanismo de Conexión: Tabla Catálogo de Ficheros
      3. Inconvenientes
        1. Dificultad de mantener la integridad de los datos
        2. No utilizan toda la potencialidad de los SGBDR
    4. Sistemas de Entorno Integrado
      1. Sobre Ficheros: Ficheros Diccionario de Datos y Datos Espaciales
      2. Sobre SGBDR: Problema con la info espacial (tabla normalizada o datos no estándar). Por ejemplo Oracle Spatial Cartridge

UD5 Diseño Conceptual de un SIG

  1. Definición de Objetivos: qué consultas quiero hacer y qué datos quiero utilizar (modelo de datos)
    1. Según Objetivos:
      1. SIG de carácter general: carecen de finalidad concreta orientados a bases cartográficas. Muy general. Ejemplos: BCN200, FACC
      2. SIG de aplicación
  2. Obtener el Modelo de Datos
    1. Detectar Entidades y Clases de Entidades. Criterios Primarios y Secundarios
    2. Información que las define (Atributos). Datos espaciales y descriptivos
    3. Relaciones existentes entre entidades. uno a uno, uno a muchos y muchos a muchos
    4. Entidades Compuestas: Agrupación de Entidades simples debido a
      1. problemas con tipos de geometría
      2. propiedades que varían en el ámbito de la Entidad
      3. necesidad de representar cada una de las entidades de una clase en función de otras
      4. existencia de entidades habitualmente agrupadas
    5. Categorías: criterios de homogeneidad o afinidad para agrupar entidades
    6. Metadatos: información sobre los datos (todos o un subconjunto)
    7. Elementos del modelo descriptivo
      1. Clase de Entidades
      2. Diccionario de Temas o Categorías (opcional)
      3. Atributos de Clases de Entidades (Diccionario de Atributos)
      4. Relaciones entre clases de entidades: Modelo E/R
      5. Definición de la estructura de tablas: clases de entidades, diccionario de temas, atributos de clases de entidades, diccionario de atributos
  3. Elección del Modelo Espacial de Datos
    1. Según necesidades de precisión posicional y tipo de análisis espacial
    2. Parámetros espaciales:
      1. Sistema de Referencia (datum y sistema de proyección y Sistema de Coordenadas)
      2. Precisión de los datos y Escala
  4. Metadatos de Entrada
    1. Despues del modelo conceptual hay que
      1. Recopilar y Evaluar los datos
      2. Generar los datos que no existan y estén especificados
      3. Cargar los datos en el sistema
    2. Metadatos: información sobre los datos. Por ejemplo: Catálogo de Datos, Parámetros Cartográficos y Parámetros de Evaluación
  5. División de los datos (a través de procedimientos físicos y/o lógicos)
    1. Separación Vertical: agrupación en niveles superiores (misma zona espacial)
    2. Separación Horizontal: zonas geográficas diferenciadas.

UD6 Integración y Edición de Datos

  1. Adquisición de datos
    1. Recopilación y evaluación de datos
    2. Generación de los datos que no existan
    3. Carga de los datos anteriores
  2. Recopilación y Entrada de Datos
    1. Caracterización de los datos existentes (Catálogo de datos)
    2. Metodología para la obtención de información desde datos no cartográficos (formato y forma de transformación)
    3. Especificación de las metodologías de trabajo para la actualización de datos (pliegos de condiciones técnicas)
  3. Integración de Datos
    1. Ocurre después de haber recopilado los datos en formato digital
    2. Homogeneizar/Unificar: fuentes y métodos de adquisición, precisión, sistema de referencia, actualización y puesta al día
    3. Tareas
      1. unificación de formatos digitales (procesos de traducción)
      2. del sistema de referencia (Datum/Elipsoide y Sistema de Proyección)
      3. del sistema de coordenadas (transformaciones lineales o no sobre el total o zonas de datos)
      4. de precisiones (añadir el parámetro precisión a los datos o generalizar los datos más precisos con los menos precisos
      5. armonización (fases de unificación/fusión y detección/corrección de errores)
    4. Armonización Vertical: Zonas de trabajo que se superponen en el espacio.
      1. Posibles factores
        1. Errores Residuales
        2. Errores Accidentales
        3. Métodos de adquisición
      2. Criterios de localización y detección
        1. Selección Temática: Revisión manual o automática
        2. Criterios aplicables a polígonos/superficies, líneas, puntos
      3. Corrección de errores
        1. Eliminar representaciones de los datos menos precisos
        2. Generar nuevo elemento gráfico (por ajuste)
        3. Generar nuevo elemento gráfico (por interpolación)
    5. Armonización Horizontal
      1. Falta de coincidencia de datos en zonas geográficamente adyacentes
      2. Criterios de localización y detección
        1. Selección Temática
        2. Tolerancia Angular
        3. Tolerancia Lineal
      3. Corrección de Errores
        1. Punto de Ajuste o Intersección (han de coincidir)
        2. Máxima longitud considerada (ajuste de elementos para compensar)
  4. Edición de Datos
    1. Representación coherente e individualizada de las entidades
    2. Edición Geométrica
      1. Localización y Corrección de errores en las entidades
      2. Fases:
        1. División de líneas en los puntos de intersección
        2. Detección y corrección de anomalías geométricas
          1. Arcos Colgantes (Sobretrazos, Subtrazos)
            1. Detección (Selección Temática y Uso de Tolerancias)
            2. Corrección (Automática, Semiautomática y Manual)
          2. Slivers (falsos polígonos)
          3. Bucles (autointersección de poligonales)
          4. Jorobas (falta de alineación entre un vértice y sus inmediatos)
          5. Líneas Duplicadas
        3. Causas de los Errores (Humanos y Metodológicos)
          1. Integración de diferentes conjuntos de datos
          2. Adaptación de la representación cartográfica a la realidad
    3. Edición Temática
    4. Edición Estructural de datos
      1. Construcción de entidades geográficas a partir de datos espaciales (asociar entidad con sus datos espaciales)
      2. Carga de atributos y asociación de información descriptiva a datos espaciales
      3. Revisión/Validación de Entidades y Atributos (comprobar dominios, entidades, etc)

Modulo II

UD7 Explotación de Datos

  1. Proceso de Explotación
    1. Consultas y Análisis Espacial
      1. Consultas: conjunto de entidades que satisfacen unas condiciones
        1. Alfanuméricas
        2. Espaciales
          1. de ámbito geográfico
          2. de relación espacial
        3. Mixtas
      2. Funciones
        1. Áreas Buffer o Zonas
        2. Superposición de Polígonos
        3. Reclasificación
        4. Otras Funciones
    2. Desarrollo de Aplicaciones
  2. Consultas
    1. Operador Espacial
      1. Proceso:Definición de la situación, algoritmo y nombre del operador
      2. Basados en criterios topológicos (primitivas) y geométricos (coordenadas)
    2. Consultas por Atributos: Sentencias SQL (SELECT)
    3. Consultas Espaciales:
      1. Situación espacial Absoluta (completamente dentro, fuera, Dentro y superpuesto, fuera y superpuesto
      2. Situación espacial Relativa respecto a una entidad (operadores espaciales)
    4. Consultas Mixtas
  3. Funciones de Análisis
    1. Herramientas: Generación de zonas, reclasificación y superposición
    2. Generación de Zonas: una nueva entidad de área
    3. Reclasificación: nuevo valor del polígono, nueva localización de polígonos y valor y eliminación de límites
    4. Superposición: nuevas entidades superficiales

UD8 Análisis de Raster I

  1. Repaso del modelo espacial raster (celda, mallas, sistema referencia interno/externo, un valor único para la celda, estructura cabecera/datos,)
  2. Varibles temáticas
    1. Qué son: : representación numérica de una o varias entidades
    2. Indican: Presencia/Ausencia, identificación de la clase de entidad, caracteristicas de la variable
    3. Las variables se ajustan a una escala
    4. Tipos de operaciones:
      1. Nominales. Tipo cualitativo, por ejemplo: tipo de suelo
      2. Ordinales. Escala numérica no calibrada, por ejemplo: clasificación de categoría de ciudad (1a, 2a, 3a, etc)
      3. Intervalo. Escala numérica calibrada (por unidades), por ejemplo, longitud/latitud
      4. Razón o proporción. Escala numérica calibrar y con origen fijo, por ejemplo, densidad de población
  3. Álgebra Cartográfica
    1. Qué es: conjunto de funciones que me permiten obtener una nueva capa a partir de otra/otras
    2. Conceptos
      1. Posición: celdas en las que se divide la zona de estudio
      2. Capa Raster: valores de las celdas
      3. Zona: conjunto de celdas con el mismo valor
      4. Entorno: conjunto de celdas que cumplen una condición de dirección/distancia de una celda (foco). Puede ser Inmediato (las 8 adyacentes) y Extendido
    3. Funciones: locales, focales (entorno inmediato, entorno extendido e incrementales) y zonales. Calculan nueva capa a partir de valores de las posiciones y característica de la posición
    4. Operaciones con los valores de las celdas
      1. Reclasificación. P.ej: actualizar datos de producción de cereal
      2. Operaciones Matemáticas. Cálculo de densidad a partir de los valores de superficie de celda y número de habitantes
      3. Operaciones de Analisis Estadístico (Generalización, Variabilidad y Comparación)
    5. Operaciones con los datos espaciales
      1. Determinación de posición geográfica y estudios de Forma/Dimensión
      2. Cálculo de Distancias y Proximidad
    6. Funciones Locales
      1. Qué son: calculan el valor de una celda a partir del valor de esa celda en otras capas (no importa la posición)
      2. Tipos: reclasificaciones, operaciones matemáticas (suma/diferencia, producto/AND, Cociente, trigonométricas), analisis estadístico (media, máximo/mínimo, variedad, valor más/menos frecuente)
    7. Funciones Zonales
      1. Qué son: calculan el valor de una capa en funcion de los valores de las celdas y los valores de las zonas (máscara)
      2. Tipos: operaciones matemáticas (suma y producto), análisis estadístico (media/moda, máximo/mínimo, variedad, percentil, porcentaje)
      3. Conceptos Básicos:
        1. Distancia Física: Euclidiana, Manhattan (no se utiliza)
        2. Distancia de Fricción: coste de recorrer la longitud que separa dos puntos. Se tiene en cuenta la resolución física y la de coste
        3. Superficie o Capa de Fricción: dificultad o resistencia al movimiento. Se tiene en cuenta el tipo de movimiento a considerar y las caracterísiticas de resistencia
        4. Cálculo de la distancia de Fricción: definir trayectoria, definir tramos con coste costante, sumatorio ponderado de longitudes y costes
        5. Camino Óptimo entre dos puntos
        6. Superficie de Costes

    UD9 Análisis de Raster II

    UD10 Fundamentos de Teledetección

    1. Teledetección: obtener información sin contacto físico
    2. Modelo de Detección: fuente EM (Sol), a través de atmósfera, interacciona con objeto terrestres, se recoge en un sensor (satélite, por ej.). Después se transmite, se procesa y se interpreta/analiza, y se explota
    3. Sensores fotográficos y electrónicos
    4. Objetivo de la Teledetección: medir el impacto de un objeto sobre su entorno (generalmente asociado a sistemas de vigilancia del planeta)
    5. Aplicaciones: Metereología, Oceanografía, Glaciología, Geología/GeoMorfología, Topografia/Cartografía/Geodesia, Agricultura/Bosques/Botánica, Hidrología, Medio Ambiente, Militares
    6. Evolución: 1930 (fotografía color), II Guerra Mundial (detección camuflaje), 1956 (clasificación suelos desde el aire), 60s (observación Tierra Tiros I, Mercury, Apollo, Gemini), 70s (Comienzo de ERTS 1 y serie Landstat), 80s (franceses SPOT)
    7. Principios Físicos:
      1. Parámetros Onda EM: longitud de onda y velocidad de propagación
      2. Energía emitida: transformación de la energía, y según Ley de Planck
      3. Características de la distribucion de la energía: a mayor temperatura menor longitud de onda, a mayor temperatura mayor energía (Ley de Wien)
    8. Intervalos de Longitudes de Onda
      1. Región Óptica del espectro EM:
        1. Visible (0.4 a 0.7 microm) R (0.6 a 0.7), G (0.5 a 0.6), B (0.5 a 0.4)
        2. Infrarrojo Próximo (0.7 a 1.3) : cubiertas vegetales y concentraciones de humedad
        3. Infrarrojo Medio (1.3 a 8): contenido de humedad y focos alta temperatura
        4. Infrarrojo Lejano: (8 a 14): procesos de emisión de temperatura
      2. Microondas
    9. Cantidades Radiométricas:
      1. Dirección del Espacio: azimut (al norte, superficie) y zénit (al eje Y, perpendicular)
      2. Ángulo Sólido (un cono en el espacio, de X estereoradianes)
      3. Potencia, Intensidad (potencia/angulo solido), Energía Radiante (julios/m3), Flujo Radiante, Densidad de flujo radiante (W/m2, siendo irradianza o emitancia), Intensidad Radiantes (W/angulosolido), Radianza (W.m2/dS)
    10. Interacción de la radiación con la materia:
      1. Energia Incidente= Absorbida + Transmitida + Reflejada (Intensidad = absortancia + transmitancia + reflectancia)
      2. Reflectancia (más importante): la capacidad del objeto de reflejar energía (en el espectro de medida)
      3. La energía reflejada depende de: situación fuente, situación sensor y propiedades del objeto
      4. Estudio de reflectancia de: Agua, Suelo (humedad, contenido de materia orgánica, composición química, rugosidad) y vegetación (según propiedades ópticas de las hojas)
    11. Efectos de la Atmósfera:
      1. Dispersión: de Rayleigh (particulas menores longitud onda), de Mie (similares dimensiones), no selectiva (mayores dimensiones, lo normal)
      2. Absorción:

    UD11 Tratamiento de Imágenes por Satélite

    1. Esquema Sensor: Entrada (Radianza de la escena), Optica, Detectores, Electrónica y Salida (Imagen Numérica)
    2. Resolución
      1. Espacial (área mínima observada, IFOV)
      2. Radiométrica (Posibles valores de una celda)
      3. Espectral (rangos de longitudes de onda)
      4. Temporal (tiempo entre tomas)
    3. Tipos de Barrido: Barrido Lateral (linescan) y Por empuje (pushbroom). Franja de Barrido de los Satélites de Observación de la Tierra
    4. Imagen: Filas y Columnas. Celdas con un valor. La imagen puede ser multibanda i.e. multiespectral
      1. Estadísticos
        1. Una Banda: Mínimo, Máximo, Media, Desviación, Función de Densidad/Histograma/Diagrama de Frecuencias
        2. Varias Bandas: Covarianza, Correlación,
    5. Formatos de Almacenamiento: BSQ (Band SeQuential), BIL (Bank Interleave by Line), BIP (Band Interleave by Pixel)
    6. Plataformas Espaciales: Plataforma NOAA (National Oceanic and Space Administration), Landstat, SPOT e Ikonos
    7. Procesado de Imágenes. Realce: mejorar la apariencia visual de la imagen.
      1. Espacial (mejorar reconocimiento de las formas)
      2. Radiométrico (mejorar contraste)
    8. Georreferenciación/Correcciones Geométricas
      1. Para integrar con: cartografía, datos de otros sensores, datos de otras fechas, datos de campo
      2. Integración con el SI
        1. Transformaciones sistemas de coordenadas: imagen, geográficas, geodésicas, cartográficas
        2. Métodos de Corrección: paramétricos, ajuste polinómico (y más)
        3. Puntos de Control: importantes para la corrección (distinguibles, invariantes en tiempo, estables y fácilmente interpretables)
        4. Sustitución de Valores (Celdas): Vecino más cercano, Interpolación BiLineal y Convolución Cúbica

    UD12 Clasificación de Imágenes Multiespectrales

    1. Imágenes Satélite: mejor resolución espectral que espacial (en general)
    2. Se trata De Extraer información de la imagen multiespectral. Se hace mediante Interpretación Visual/Fotointerpretación o por Reconocimiento de Patrones (Clasificación)
    3. Interpretación Visual: primero seleccionar Bandas, después hacer realce y por último fotointerprete (operador o automático)
    4. Clasificación de Patrones:
      1. Clasificar valores en categorías (informacionales y espectrales)
      2. Vector Característico: misma posición en diferentes bandas (vector de valores)
      3. Proceso: entrenamiento, clasificación y Evaluación
      4. Reglas de Clasificación: Estadística (Teorema Bayes, Regla Decisión Máxima Verosimilitud, Distancia de Mahalanobis)
    5. Análisis Discriminante:
      1. Zonas de Indecisión (solapamiento de clases)
      2. Medida de Separabilidad: Divergencia y/o divergencia Transformada, criterio de distancia mínima, etc
      3. Zonas/Umbrales de Decisión: elipses de isoprobabilidad (misma probabilidad, ¿qué clase?)
      4. Metodologías de Clasificación supervisadas y no supervisadas (según proceso de entrenamiento)
      5. Clasificación Supervisada: se otorga una clase a un vector característico. Previamente se entrena el clasificador para ver qué clases hay.
      6. Clasificación No Supervisada: técnicas de clustering (no hay entrenamiento). Algoritmo Isodata
      7. Estimación de la precisión. Se suele hacer por muestreo (¿Clasificación correcta?). Errores: matriz de contingencia/confusión (valores de precisión en porcentaje)

Pruebas Autoevaluación (Modulo I: 1212 , Modulo II: 2712)

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