Geomática: Gestión de Datos Espaciales

La Geomática es la disciplina que se encarga de la gestión de datos con referencia espacial, integrando las disciplinas y tecnologías relacionadas con el almacenamiento, tratamiento y difusión de dicha información. Implica una visión integrada de los procesos de medida, análisis, manejo, almacenamiento y edición de datos espaciales. Las disciplinas involucradas son:

• Geodesia: Sistemas de referencia, posicionamiento y navegación.
• Cartografía numérica: Elaboración y explotación de bases de datos georreferenciadas, herramientas SIG, visión plana y tridimensional.
• Topografía: Toma de información métrica en campo, GPS.
• Fotogrametría: Toma y explotación de información métrica y temática mediante cámaras y sensores terrestres y aerotransportados.
• Teledetección: Toma y explotación de información métrica y temática mediante cámaras y sensores sobre satélites de observación.

Todas las decisiones con referencia terrestre que toman ingenieros, planificadores u otros decisores utilizando datos espaciales, requieren el análisis de modelos de la realidad en forma de mapas, planos, imágenes o información digital para la realización de proyectos.

Sistemas de Información Geográfica (SIG)

Componentes y Libertades del Software Libre

Un SIG es un sistema para la gestión, análisis y visualización de conocimientos geográficos estructurado en diferentes conjuntos de información. Está compuesto por programas, equipos informáticos, usuarios, conocimiento en desarrollo de aplicaciones, datos e información.

El software libre se basa en:

• Libertad 0: Ejecutar el programa para cualquier propósito.
• Libertad 1: Estudiar cómo funciona el programa y modificarlo. El acceso al código fuente es esencial.
• Libertad 2: Redistribuir copias para ayudar al prójimo.
• Libertad 3: Distribuir copias de las versiones modificadas. El acceso al código fuente es esencial.

Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE)

Definición, Ventajas, Nodo IDE y URL de un Recurso

Una IDE es un sistema informático integrado por recursos (catálogos, aplicaciones, webs, servicios, programas, etc.) disponibles en internet que cumplen condiciones de interoperabilidad (normas, especificaciones, protocolos, etc.), permitiendo al usuario utilizarlos y combinarlos según sus necesidades mediante un navegador.

Un nodo IDE aloja información espacial básica de un territorio específico. Genera y mantiene servicios interoperables para organismos dependientes de la administración de información espacial pública.

La URL de un recurso es el acceso al servicio IDE para visualizar recursos a través de internet. Contiene «www.» seguido del nombre del recurso, la extensión geográfica y la ruta específica.

Situación a Nivel Mundial de las IDEs

Cada país tiene una IDE particular. España cuenta con una IDE nacional, además de IDEs comunitarias y locales. Otros países, como los sudamericanos y asiáticos, también tienen sus propias IDEs. Cada IDE ofrece información específica, y a través de internet, se pueden consultar los recursos de diferentes países. La precisión de la IDE aumenta a nivel local.

Interoperabilidad de la Información Geográfica

Una IDE es un sistema informático con recursos (catálogos, aplicaciones, webs, servidores, programas, etc.) para gestionar información geográfica (mapas, ortofotos, imágenes de satélite, etc.) disponibles en internet. Cumplen condiciones de interoperabilidad, permitiendo al usuario utilizarlos y combinarlos según sus necesidades mediante un navegador.

Las URL son secuencias de caracteres que nombran recursos geográficos en internet (documentos, imágenes, videos, etc.) para su localización o identificación.

Sistema de Difusión de Información Pública Cartográfica

El sistema de difusión se basa en la IDE. Permite el acceso a información geográfica a través de internet, cumpliendo con normas de interoperabilidad para que los usuarios puedan utilizar y combinar la información según sus necesidades.

Las URL son secuencias de caracteres que nombran recursos geográficos en internet para su localización o identificación.

Interoperabilidad: Tipos y Cualidades

La interoperabilidad es la combinación de conjuntos de datos espaciales y la interacción de servicios sin intervención manual repetitiva, generando resultados coherentes y aumentando el valor de los datos.

Tipos de interoperabilidad:

• Técnica
• Semántica
• Político-humana
• Legal

Dos sistemas son geográficamente interoperables si:

• Intercambian información espacial libremente.
• Manipulan la información espacial a través de redes.

La transmisión y comprensión generan métodos y estándares.

Metadatos y Cualidades

Los metadatos son datos sobre los datos. Es información que permite identificar, comprender y compartir datos entre usuarios a lo largo del tiempo.

Características de los metadatos:

• Nombre y descripción de los datos.
• Fecha de creación, periodo y última actualización.
• Creador y propietario de los datos.
• Extensión geográfica y sistema de referencia.
• Modo de obtención, características y formato.

Estándares de Geoinformación

Los estándares proporcionan especificaciones sobre formatos, reduciendo costes y evitando pérdidas de calidad al no convertir formatos. Utilizan plataformas y formatos no propietarios, evitando monopolios. La estandarización unifica el lenguaje de comunicación, la descripción de datos y las especificaciones de servicios.

Aporte de la Teledetección

Ventajas de la teledetección frente a otras fuentes de información espacial:

• Cobertura global y periódica.
• Homogeneidad en la toma de datos.
• Información sobre regiones no visibles.
• Periodicidad de los datos.
• Carácter digital de los datos.

Firma Espectral

Firma Espectral de la Cubierta

La firma espectral describe el comportamiento de las superficies al recibir radiación, cuantificando la reflexión, absorción y transmisión. Es un diagrama que relaciona la longitud de onda con la reflectividad, mostrando la pigmentación, estructura y contenido de agua de la hoja. Valores de reflectividad más altos indican mayor salud de la vegetación.

Interacciones de la Atmósfera con la Radiación Electromagnética

Los componentes de la atmósfera afectan la energía electromagnética:

• Dispersión: Reflexión de la EEM en todas direcciones. Aumenta la radiación difusa.
• Absorción: La atmósfera impide o atenúa la transmisión de EEM. Actúa como un filtro selectivo.
• Emisión: La atmósfera absorbe y transforma la energía solar en calor, emitiendo EEM en longitudes de onda largas.

Firma Espectral del Suelo

Factores que influyen en la firma espectral del suelo: composición química, características físicas, contenido de humedad y aire, ángulo de observación e iluminación.

Resolución de un Sistema Sensor

Tipos de Resolución

La resolución de un sensor es su capacidad para registrar información detallada. Tipos:

• Espacial: Tamaño del pixel en el terreno.
• Espectral: Número de bandas espectrales.
• Radiométrica: Niveles digitales para cuantificar la energía.
• Temporal: Frecuencia de adquisición de imágenes.

Resolución Espacial: IFOV y FOV

• IFOV (Campo Instantáneo de Visión): Tamaño de la parcela almacenada como una celdilla.
• FOV (Campo de Visión): Ángulo de apertura de una línea de barrido.

Resolución Espectral

Número y anchura de las bandas espectrales que discrimina el sensor.

Tipos de Resolución Más Importantes

Las resoluciones espacial, espectral, radiométrica y temporal son las más importantes en un sistema sensor.

Clasificación de los Sensores

Criterios de clasificación:

• Fuente de energía:
  • Activos: Emiten y reciben su propia energía (ej. radar, lidar).
  • Pasivos: Utilizan la energía solar (ej. sistemas electroópticos).
• Formación de imagen:
  • Formadores de imagen: Generan imágenes a partir de los datos.
  • No formadores de imagen: Los datos no se utilizan para generar imágenes.

Ventajas e Inconvenientes de los Sensores Pasivos

Sistemas Electro-ópticos

Ventajas: buena calidad de imagen e independencia del sistema de grabación.

Rastreadores de Barrido

Ventajas: Amplían las bandas del espectro, fácil calibración, transmisión de datos en tiempo real y grabación digital.

Exploradores de Empuje

Ventajas: Aumentan la resolución espectral, reducen problemas geométricos y agilizan la detección de datos.
Inconvenientes: Difícil calibración de la cadena de detectores.

Imagen: Discreta y Digital

Una imagen es una distribución bidimensional de energía electromagnética. Una imagen discreta se forma a partir de un conjunto finito de valores de iluminancia obtenidos mediante muestreo. Una imagen digital es la adaptación informática de la imagen discreta, asignando un nivel de gris a cada pixel.

Clasificación de Imágenes Según la Profundidad del Color

• Homogéneas: Todos los pixeles tienen el mismo valor.
• Binarias: Dos valores posibles (0 y 1).
• Tono de gris: Rango discreto de valores (ej. 0-255).
• Simbólicas: Representan elementos cualitativos.
• Multiespectrales: Función vectorial con múltiples bandas espectrales.
• Secuencias de imágenes: Conjunto ordenado de imágenes (ej. temporal o espacial).

Características de los Ficheros Imagen

• Forma: Matrices de n filas y m columnas.
• Tamaño: Depende del tamaño de la imagen, número de bandas y resolución radiométrica.
• Compresores: Algoritmos para reducir el tamaño del archivo (destructivos o no destructivos).
• Cabeceras: Información sobre la imagen (condiciones de adquisición, tamaño, resolución, etc.).
• Paletas de color: Transforman los niveles digitales en niveles visuales.

Corrección Atmosférica

Concepto y Método

La corrección atmosférica compensa la dispersión de la radiación por la atmósfera. Un método es el del valor mínimo, que utiliza zonas de baja radiación (ej. agua) para calcular la dispersión y corregir la imagen.

Correcciones Geométricas

Métodos de corrección geométrica:

• A partir de las características orbitales del sensor.
• A partir de cartografía básica, utilizando puntos de control.

Fuentes de Error en una Imagen Satelital

Errores geométricos (ej. distorsiones por la plataforma, rotación terrestre, oblicuidad) y radiométricos (ej. distorsiones del sensor, dispersión, absorción y emisión atmosférica).

Correcciones Radiométricas

Ventajas y Proceso

Las correcciones radiométricas restauran los niveles digitales originales. El proceso incluye: restauración de pixeles perdidos, corrección de bandeado, corrección atmosférica y conversión a parámetros físicos. Ventajas: comparación de imágenes de diferentes fechas y sensores, mayor rigor en ratios entre bandas.

Ajustes y Transformaciones de la Imagen

Ajuste del Contraste

Adapta la resolución radiométrica de la imagen a la capacidad del monitor, expandiendo o comprimiendo los niveles digitales.

Empleo de Pseudocolor

Representa una banda en distintos tonos de color, utilizando una tabla de color artificial. Se usa para crear leyendas, DTM o índices de vegetación.

Composición de Color

Aplica colores primarios a tres bandas de la imagen. Puede ser color natural o falso color. Facilita la delimitación visual de cubiertas y la visualización simultánea de diferentes regiones del espectro.

Transformación HSI

Representa el color en función de tono, saturación e intensidad. Se usa en estudios geológicos o combinación de imágenes de diferentes sensores.

Filtrado

Aísla componentes de interés, suavizando o reforzando contrastes espaciales. Los filtros pueden ser de paso bajo (homogeneidad) o paso alto (contrastes). Ventajas: realce visual, aislamiento de componentes y eliminación de valores anómalos.

Índices de Vegetación

Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI)

El NDVI caracteriza la vegetación minimizando efectos del suelo, iluminación, atmósfera y topografía. A mayor índice, mayor vigor vegetativo.

Índice RVI

El RVI es el cociente entre la banda infrarroja cercana y la banda roja. A mayor valor, mayor vigor vegetativo.

Ventajas de los Índices de Vegetación

• Resaltan la contribución de la vegetación.
• Atenúan otros factores (suelo, atmósfera, iluminación, topografía).
• Entrada para modelos biofísicos.
• Seguimiento multitemporal de la vegetación.

Clasificación Digital

Fase de Asignación: Métodos

En la fase de asignación, cada pixel se asigna a una categoría. Métodos:

• Paralelepípedos: Asigna pixeles según rangos de valores en cada banda.
• Mínima distancia: Asigna pixeles a la categoría con el centroide más cercano.

Tratamiento de Imágenes

Imágenes de Alta Resolución

Procesos: corrección geométrica, tratamientos radiométricos (fusiones, combinaciones de bandas, equilibrados), mosaicos.

Imágenes de Media Resolución

Procesos: corrección geométrica, tratamientos radiométricos (combinaciones de bandas, equilibrados), mosaicos.

Indicadores Ambientales

Un indicador ambiental refleja sintéticamente una preocupación social sobre el medio ambiente para la toma de decisiones. La teledetección proporciona parámetros biofísicos para obtener indicadores agroambientales.

Clasificación Supervisada

Se seleccionan muestras representativas de cada clase (áreas de entrenamiento) y se estudian sus parámetros estadísticos para asignar cada pixel a la clase más similar.

Características de un Método de Clasificación

Un buen método de clasificación debe ser exacto, reproducible, robusto, exhaustivo y objetivo. La clasificación digital busca una caracterización relativa válida para una imagen y territorio específicos.

Soluciones para Problemas de Clasificación

Problemas y soluciones comunes en clasificación digital:

• Categoría con varias clases espectrales: desagregación de la leyenda.
• Categorías con la misma clase espectral: agrupar clases o incorporar otras variables.
• Varias categorías compartiendo clases espectrales: soluciones parciales y replanteamiento de la estrategia.

Clasificación Mixta

Combina análisis supervisado y no supervisado. Se puede usar el conocimiento del intérprete para guiar el análisis no supervisado o aplicar ambos métodos por separado y sintetizar los resultados.

Métodos Gráficos de Análisis Estadístico

• Diagrama de signatura espectral
• Diagrama de dispersión espectral
• Diagrama de solape espectral
• Histograma de frecuencias

Fases de Asignación en Clasificación Digital

• Máxima probabilidad
• SAM (Spectral Angle Mapper)
• Árbol de decisión
• Clasificación difusa

Fuentes de Error en Clasificación Temática

La fiabilidad de la clasificación depende del método, calidad de datos y tipo de interpretación. Errores relacionados con el terreno, la precisión de la imagen y factores ambientales externos.

Tipos de Muestreo

• Aleatorio
• Aleatorio estratificado
• Sistemático
• Sistemático no alineado

Datos Geográficos y su Representación Digital

Criterios de los Modelos Raster y Vectorial

La elección del modelo depende de la aplicación. Se comparan criterios como representación, procesamiento, capacidad expresiva, transformaciones espaciales, análisis de localización, presentación, tipo de información y origen de la información.

Inconvenientes de Ambos Modelos

Vectorial: Limitaciones en la precisión numérica. Raster: Dificultad para representar detalles menores a la resolución espacial.

Diferencia entre SIG Orientado a Capas y Orientado a Objetos

Orientado a capas: Espacio como unión de entidades, consultas simples, modelo relacional. Orientado a objetos: Espacio con objetos, modelización y análisis complejos, acciones ligadas a objetos.

Reglas de Comportamiento en un SIG Vectorial

1. No solapamiento entre elementos de la misma clase.
2. No huecos entre elementos de la misma clase.
3. Cobertura completa por elementos de otra clase.

Clasificación de un SIG Raster

Tipos de datos raster: continuos, discretos o temáticos. Según el número de bandas y el tipo de información (imágenes, MDT, temática).

Clasificación de Datos Raster Según el Valor del Pixel

• Continuos: Distribuidos de forma continua (ej. temperatura).
• Discretos: Agrupados en clases (ej. usos del suelo).
• Temáticos: Fenómenos con límites definidos (ej. mapa de cultivos).

Fases de un Proyecto SIG

Recopilación, captura, integración, análisis alfanumérico, análisis espacial, salidas, visualización y gestión de datos.

Raster y Base de Datos Geográfica Raster

El modelo raster representa entidades geográficas mediante celdas. Es una matriz bidimensional con un origen, resolución, orientación, zona, valores y localización. Es adecuado para fenómenos superficiales y continuos, pero no para lineales.

Tipos de Relaciones en una Geodatabase

• Simples: Relación independiente entre objetos.
• Compuestas: El objeto origen controla la vida de los objetos relacionados.

Estructura Raster

• Simple – Enumeración exhaustiva
• Run Length Encoding (RLE)
• Jerárquico – Árboles cuaternarios

Formato ASCII y Binario

ASCII: Codifica cada carácter con un número. Binario: Más eficiente en espacio y acceso a datos.

Modelo Spaguetti

Representa objetos de forma independiente, sin relaciones topológicas explícitas. Eficiente para trazar, pero ineficiente para análisis espacial.

Modelo Network

Representa redes con nodos y arcos, almacenando la conectividad. No se utiliza para relaciones entre objetos superficiales.

Modelo Digital del Terreno (MDT)

Estructura Matricial y Vectorial

MDT: Representación numérica de la altitud del terreno. Matricial: Matriz regular de celdas. Vectorial: Entidades vectoriales (curvas de nivel, TIN).

Datos Libres de MDT en España

El MDT05 tiene una resolución de 5 metros.

Pendiente del Terreno

La pendiente es la inclinación del terreno. En modelos matriciales, se calcula mediante algoritmos que consideran las celdas vecinas.

Estructuras de Datos de los MDE

• Superficies polinómicas
• Puntos ordenados
• Puntos aleatorios
• Modelos híbridos
• Puntos semiordenados

Ventajas y Desventajas de los Modelos TIN

Ventajas: simple adquisición de datos, fácil incorporación de rasgos estructurales, pocos puntos para buena precisión, definición exacta de detalles.
Desventajas: complejo manejo, no todos los algoritmos de malla tienen contrapartida, se necesita experiencia, superficie de interpolación mayor.