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Este cuaderno es una guía para facilitar el desarrollo de la actividades en clase de los cursos: Hidroclimatológia (pregrado y posgrado) y Modelación de procesos hidrológicos de la Facultad de Estudios Ambientales y Rurales de la Pontificia Universidad Javeriana, y fue consolidado con la ayuda de Henry Pompilio Martinez Martinez, M.Eng. en Ingeniería Industrial e Ingeniero Forestal

En el siguiente documento se expone de manera general los conceptos relacionados con los sistemas de información geográfica, tales como:

Adicionalmente, se dará al estudiante una guía rápida para la descarga y uso del software QGIS aplicado a la delimitación de cuencas hidrográficas (posibilidad de realizar estudio morfométrico).

1. Sistemas de Información Geográfica - SIG

Definición: Neteler & Mitasova (2004) describen de manera general un SIG como una integración de datos, hardware y software diseñados para el manejo, procesamiento, análisis y visualización de datos georreferenciados donde su componente de software tiene un profundo impacto en las capacidades para usar efectivamente los datos espaciales para resolver un amplio rango de problemas.

En otras palabras un SIG se podría definir como un sistema o herramienta de soporte para la toma de decisiones, lo que involucra la integración de datos espaciales y la aplicación a diferentes campos del saber. Como futuros profesionales deben estar en la capacidad de usar este tipo de herramientas para modelar y analizar los problemas que se les presenten.

Se recuerda que las herramientas computacionales son simplemente una ayuda tecnológica para el profesional; estas deben ser evaluadas en función de la experticia que maneja cada investigador, y del propósito al que se quiere llegar en términos de dar solución a las necesidades de cada problema.

2. Datos Geográficos

Definición: Se entiende por Dato geográfico a todo tipo de entidad espacio-temporal que cuantifica la distribución, el estado y los vínculos de los distintos fenómenos u objetos naturales y sociales (IGAC, 2018). Estos datos se caracterizan por los siguientes elementos:

A su vez, los datos geográficos están integrados por tres componentes, los cuales son:

1. Componente espacial: Hace referencia a tres elementos: la localización geográfica, las propiedades espaciales y las relaciones espaciales:

relaciones que existen entre sí, estas pueden ser relaciones topológicas como lo son la adyacencia, contigüidad, conectividad o inclusión ó relaciones geométricas.

2. Componente temático: Son las características (atributos) de los objetos expresados como variables bajo una escala de medida, las cuales diferencian a los objetos por el valor que este presenta en una determinada variable. Mientras la componente espacial es generalmente un valor, la componente temática puede ser de distintos tipos: Numéricos y alfanuméricos, dentro del primer grupo se encuentran los de tipo nominal, ordinal, de intervalo y razones.

3. Componente temporal: Considera la dimensión temporal, la cual modifica las otras dos componentes y permite la representación de los procesos como relaciones espaciotemporales o también temático-temporales.

2.2. Datos Discretos:

Son aquellos datos que representan a los objetos con límites conocidos y definibles, en donde es apreciable el inicio y el término del objeto, vienen usualmente representados por números enteros.

Figura 1. Datos Discretos

2.3. Datos Continuos:

Son aquellos datos en los que la ubicación es una medida del nivel de concentración o su relación a partir de un punto fijo en el espacio, un ejemplo de estos datos son la elevación, los niveles de lluvia o las concentraciones de algún nutriente en el suelo. Estos datos vienen usualmente representados médiate valores de relación e intervalo.

Figura 2. Datos Continuos

3. Modelos de Datos

Para lograr una representación adecuada en un SIG se hace uso de dos modelos lógicos que describen las capas de información espacial, estos son el modelo con formato ráster y el modelo con formato vectorial. A groso modo se puede considerar que el formato vectorial es más adecuado para la representación de variables cualitativas en donde es necesario dar una descripción de las relaciones espaciales, es decir, la descripción tanto de objetos puntuales, lineales o poligonales y la relaciones topológicas que existen entre los estos objetos, en cambio, los formato ráster son más adecuados para la representación de superficies en donde el espacio puede ser descrito en su totalidad por valores puntuales representados por una celda

3.2. Entidades Vectoriales

Dato Vectorial proporciona una manera de representar “objetos espaciales” del mundo real dentro de un ambiente SIG. Un objeto espacial es algo que puede ver en el paisaje. Imagine que esta en lo alto de una colina. Mirando abajo, puede ver casas, carreteras, arboles, ríos y casas, entre otros (vea Figura 1). Cada una de estas cosas sería un objeto espacial cuando los representamos en una aplicación SIG. Los objetos espaciales vectoriales tienen atributos, que consiste en texto o información numérica que describe los objetos espaciales.

Figura 1. Paisaje Un objeto espacial tiene su forma representada utilizando geometría. La geometría se compone de una o más vértices interconectados. Un vértice describe una posición en el espacio utilizando un X, Y y opcionalmente un eje z. Las geometrias que tienen vértices con el eje Z se refieren a menudo como 2.5D ya que describen altura o profundidad en cada vértice, pero no ambos.

  • _Punto. Cuando la geometría de una objeto espacial consiste en un solo vértice, se conoce como un elemento punto (véase Figura 2).

Figura 2. Entidad vectorial - Punto

un punto tiene un valor X, Y y opcionalmente Z. Los valores X y Y dependerán del Sistema de Referencia de Coordenadas (SRC) que se utiliza. Vamos a entrar en más detalle acerca de los sistemas de referencia de coordenadas en un tutorial más adelante. Por ahora vamos simplemente a decir que un SRC es una manera de describir con precisión dónde está un lugar en particular sobre la superficie de la tierra.

Uno de los sistemas de referencia más comunes es Longitud y Latitud. Líneas de Longitud van del Polo norte al Polo sur. Líneas de Latitud van de Este a Oeste. Se puede describir con precisión dónde se encuentra algún lugar de la tierra, dando su Longitud (X) y Latitud (Y). Si realiza una medición similar para un árbol o un poste de teléfono y lo marca en un mapa, habrá creado una entidad de punto.

Ya que sabemos que la tierra no es plana, a menudo es útil añadir un valor de *Z/ a una entidad puntual. Esto describe qué tan alto sobre el nivel del mar se encuentra.

  • _Línea. Cuando la geometría consiste en dos o más vértices y el primer y último vértice no son iguales, un elemento polilínea se forma (ver Figura 3).

Figura 3. Entidad vectorial - Línea

Una polilínea se utiliza para mostrar la geometría de las entidades lineales como las carreteras, los ríos, las curvas de nivel, senderos, rutas de vuelo y así sucesivamente. A veces tenemos reglas especiales para polilíneas, además de su geometría básica. Por ejemplo las curvas de nivel pueden tocar (por ejemplo, en un acantilado), pero nunca deben cruzar entre sí. Del mismo modo, polilíneas utilizados para almacenar una red de carreteras deben conectarse en las intersecciones. En algunas aplicaciones SIG se pueden establecer estas reglas especiales para un tipo de entidad (por ejemplo, carreteras) y el SIG se asegurará de que estas polilíneas siempre cumplan con estas normas.

Si una polilínea curva tiene distancias muy grandes entre vértices, puede parecer angular o irregular, dependiendo de la escala a la que se vea. Debido a esto, es importante que las polilíneas se digitalizen (capturado en la computadora) con distancias entre vértices que sean lo suficientemente pequeña para la escala en la que desea utilizar los datos.

  • _Polígono. Cuando tres o más vértices están presentes, y el último vértice es igual a la primero, un elemento polígono se forma (vea Figura 4).

Figura 4. Entidad vectorial - Polígono

Las entidades poligonales son zonas cerradas como presas, islas, limites del país, etc. Como las entidades de polilínea, los polígonos se crean de una serie de vértices que se conectan con una línea continua. Sin embargo, debido a que un polígono siempre describe un área cerrada, ¡el primer y último vértice deberán siempre estar en el mismo lugar! Los polígonos regularmente tienen geometría compartida —- limites que tienen en común con un polígono vecino. Muchas aplicaciones SIG tienen la capacidad para asegurar que los limites de los polígonos vecinos coinciden exactamente.

3.1. Modelo Ráster

Este tipo de modelo es una representación en malla o en matriz en donde cada celda o elemento adopta un valor único considerado representativo del área que cubre (Sarria, 2006), se basa en la división del espacio en elementos regulares y contiguos. Los datos tipo ráster son datos discretos.

Figura 5. Entidad Ráster

Los datos almacenados en formato ráster representan fenómenos del mundo real:

  • _Los datos temáticos (también conocidos como discretos) representan entidades como datos de la tierra o de uso de la tierra.

  • _Los datos continuos representan fenómenos como la temperatura, la elevación o datos espectrales, entre ellos imágenes satelitales y fotografías aéreas.

  • _Las imágenes incluyen mapas escaneados o dibujos y fotografías de edificios.

Los rásteres temáticos y continuos se pueden visualizar en el mapa en forma de capas de datos junto con otros datos geográficos, pero a menudo se utilizan como datos de origen para el análisis espacial con la extensión de Extensión ArcGIS Spatial Analyst. Los rásteres de imágenes suelen utilizarse como atributos en tablas: pueden visualizarse con datos geográficos y se utilizan para transmitir información adicional acerca de las entidades geográficas de mapas.

Si bien la estructura de datos ráster es simple, es excepcionalmente útil para una amplia variedad de aplicaciones. En un SIG, los usos de los datos ráster se pueden dividir en cuatro categorías principales:

3.1.1. Rásteres en forma de mapas base

Un uso común de los datos ráster en un SIG es en forma de visualización de fondo para otras capas de entidades. Por ejemplo, las ortofotografías que se visualizan debajo de otras capas ofrecen al usuario de mapas la garantía de que las capas de mapa se alinean espacialmente y representan tanto objetos reales como información adicional. Las tres fuentes principales de mapas base ráster son las ortofotografías de fotografías aéreas, imágenes de satélite y mapas escaneados.

Figura 6. Ráster - Mapa Base

3.1.2. Rásteres en forma de mapas de superficie

Los rásteres son apropiados para representar datos que cambian continuamente en un entorno (superficie). Ofrecen un método efectivo para almacenar la continuidad en forma de superficie. También proporcionan una representación de superficies con espacios regulares. Los valores de elevación que se miden desde la superficie de la Tierra son la aplicación más común de los mapas de superficie, pero otros valores, como las precipitaciones, la temperatura, la concentración y la densidad de población, también pueden definir superficies que se pueden analizar espacialmente.

Figura 7. Ráster - Mapa de Elevación

3.1.3. Rásteres en forma de mapas temáticos

Los rásteres que representan datos temáticos se pueden derivar al analizar otros datos. Una aplicación de análisis común consiste en clasificar una imagen de satélite por categorías de cobertura de suelo. Básicamente, esta actividad agrupa los valores de datos multiespectrales en clases (como tipo de vegetación) y asigna un valor categórico. También es posible obtener mapas temáticos a partir de operaciones de geoprocesamiento que combinen datos de varias fuentes como, por ejemplo, datos vectoriales, ráster y de terreno. Por ejemplo, puede procesar datos por medio de un modelo de geoprocesamiento para crear un dataset ráster apropiado para una actividad específica. A continuación encontrará un ejemplo de dataset ráster clasificado en el que se muestra el uso del suelo.

Figura 8. Ráster - Mapa de Usos del Suelo

3.3. Fuentes de Información

Existen diversas plataformas para la descarga y visualización de datos geográficos, en general los modelos ráster son imágenes de satélite, imágenes de radar, fotografías aéreas y DEM, mientras los modelos vectoriales son aglomeraciones de cartografía digital producidas por diferentes instituciones como el IGAC, ejemplo de ello es el sistema de información geográfica para la planeación y ordenamiento territorial SIG-OT. A continuación, se listan algunas de las fuentes de datos geográficos de acceso libre que se encuentran en la WEB:

4. Sistemas de Coordenadas

Sistemas de coordenadas geográficas Un sistema de coordenadas geográficas se entiende como un sistema de referencia que utiliza dos coordenadas angulares denominadas latitud y longitud para determinar cualquier posición sobre la superficie terrestre. La coordenada latitud mide el ángulo entre el punto de estudio y el ecuador, se expresa en grados sexagesimales siendo el valor mínimo 0° y el valor máximo 90°. Al ecuador le corresponde la denominación de latitud 0, hacia el norte el valor angular se expresa junta a la letra N y hacia el sur del ecuador la letra utilizada es S.

Para complementar el tema les recomiendo la lectura que encuentran en el siguiente Link