Términos de Geografía

Base de datos espacial (spatial database) es un sistema administrador de bases de datos que maneja datos existentes en un espacio o datos espaciales.

En este tipo de bases de datos es imprescindible establecer un cuadro de referencia (un SRE, Sistema de Referencia Espacial) para definir la localización y relación entre objetos, ya que los datos tratados en este tipo de bases de datos tienen un valor relativo, no es un valor absoluto. Los sistemas de referencia espacial pueden ser de dos tipos: georreferenciados (aquellos que se establecen sobre la superficie terrestre. Son los que normalmente se utilizan, ya que es un dominio manipulable, perceptible y que sirve de referencia) y no georreferenciados (son sistemas que tienen valor físico, pero que pueden ser útiles en determinadas situaciones).

La construcción de una base de datos geográfica implica un proceso de abstracción para pasar de la complejidad del mundo real a una representación simplificada que pueda ser procesada por el lenguaje de las computadoras actuales. Este proceso de abstracción tiene diversos niveles y normalmente comienza con la concepción de la estructura de la base de datos, generalmente en capas; en esta fase, y dependiendo de la utilidad que se vaya a dar a la información a compilar, se seleccionan las capas temáticas a incluir.

La estructuración de la información espacial procedente del mundo real en capas conlleva cierto nivel de dificultad. En primer lugar, la necesidad de abstracción que requieren los computadores implica trabajar con primitivas básicas de dibujo, de tal forma que toda la complejidad de la realidad ha de ser reducida a puntos, líneas o polígonos.

En segundo lugar, existen relaciones espaciales entre los objetos geográficos que el sistema no puede obviar; la topología, que en realidad es el método matemático-lógico usado para definir las relaciones espaciales entre los objetos geográficos puede llegar a ser muy compleja, ya que son muchos los elementos que interaccionan sobre cada aspecto de la realidad.

Datos espaciales

Información del mundo real realizado en capas temáticas.

Un modelo de datos geográfico es una abstracción del mundo real que emplea un conjunto de objetos dato, para soportar el despliegue de mapas, consultas, edición y análisis. Los datos geográficos, presentan la información en representaciones subjetivas a través de mapas y símbolos, que representan la geografía como formas geométricas, redes, superficies, ubicaciones e imágenes, a los cuales se les asignan sus respectivos atributos que los definen y describen.

Un dato espacial es una variable asociada a una localización del espacio. Normalmente se utilizan datos vectoriales, los cuales pueden ser expresados mediante tres tipos de objetos espaciales.

Puntos

Se encuentran determinados por las coordenadas terrestres medidas por latitud y longitud. Por ejemplo, ciudades, accidentes geográficos puntuales, hitos.

Líneas

Objetos abiertos que cubren una distancia dada y comunican varios puntos o nodos, aunque debido a la forma esférica de la tierra también se le consideran como arcos. Líneas telefónicas, carreteras y vías de trenes son ejemplos de líneas geográficas.

Polígonos

Figuras planas conectadas por distintas líneas u objetos cerrados que cubren un área determinada, como por ejemplo países, regiones o lagos.

De esta forma la información sobre puntos, líneas y polígonos se almacena como una colección de coordenadas (x, y). La ubicación de una característica puntual, pueden describirse con un sólo punto (x, y). Las características lineales, pueden almacenarse como un conjunto de puntos de coordenadas (x, y). Las características poligonales, pueden almacenarse como un circuito cerrado de coordenadas. La otra forma de expresar datos espaciales es mediante rasterización, la cual, a través de una malla que permite asociar datos a una imagen; es decir, se pueden relacionar paquetes de información a los píxeles de una imagen digitalizada.

Los datos espaciales además se caracterizan por su naturaleza georreferenciada y multidireccional. La primera se refiere que la posición relativa o absoluta de cualquier elemento sobre el espacio contiene información valiosa, pues la localización debe considerarse explícitamente en cualquier análisis. Por multidireccional se entiende a que existen relaciones complejas no lineales, es decir que un elemento cualquiera se relaciona con su vecino y además con regiones lejanas, por lo que la relación entre todos los elementos no es unidireccional. Es decir, todos los elementos se relacionan entre sí, pero existe una relación más profunda entre los elementos más cercanos. Como destacaba Tobler: "todo tiene que ver con todo, pero las cosas cercanas están más relacionadas que las cosas lejanas".¹

Álgebra

El álgebra utilizada se denomina álgebra ROSE (RObust Spatial Extension)² el cual está basada en los tipos de datos espaciales reales (STD - spatial data types), pero en este caso, los objetos no están definidos en el espacio Euclidiano continuo sino que en términos de la malla que discretiza el espacio, esto debido a que los cálculos computacionales son discretos. Los operadores espaciales se definen de la siguiente forma.

Operadores de selección

Query puntual (PQ)

Dado un punto p, encontrar todos los objetos espaciales O que lo contienen.

• PQ(p)={O|p pertenece a O.G ≠ Ø}

Ry de Rango o región (WQ)

Dado un polígono P de consulta, encuentre todos los objetos O que intersecan P. Cuando P es rectangular, se llama windows query.

• WQ(P)={O|O.G ∩ P.G ≠ Ø}

Agregación espacial

Es una variante de búsqueda por vecino más cercano. Dado un objeto O’, encuentre los objetos o que tiene una mínima distancia de o’.

• NNQ(o')={o|para todo o: dist(o'.G,o.G) ≤ dist(o'.G,o.G)}

Join espacial

Es uno de los más importantes operadores. Cuando dos tablas R y S son unidas basado en un predicado espacial θ, la unión de las tablas es llamada espacial. Una variante de este operador en SIG es la superposición de mapas (map overlay). Este operador combina dos conjuntos de objetos espaciales para formar un nuevo conjunto. Las fronteras de este conjunto son determinadas por los atributos no espaciales asignados por la operación de superposición. Por ejemplo, si la operación asigna un mismo valor de un atributo no espacial a dos objetos vecinos, ellos se juntan o mezclan.

Métodos de acceso espacial

Para evitar la revisión exhaustiva de los datos en una base de datos, se crean índices que reducen el número de elementos a visitar en la base de datos en un procesamiento de consulta. La clásica indexación por B-tree no es aplicable en el caso espacial donde no existe un orden único de los valores de claves. Es por este motivo que existen tres categorías de métodos de acceso espacial, las PAM (Point Access Method), R-Tree, las SAM (Spatial Access Method), los cuales se utilizan de acuerdo al tipo de dato en el que está la base de datos espacial ya sea raster o vectorial.³

Aunque se han creado los benchmarks que comparan diferentes métodos, los resultados no son concluyentes, pero se recomienda utilizar cualquiera de ellos. Un índice R-tree aproxima cada geometría en un único rectángulo que la acota minimizando los espacios llamado MBR (Minimal Bounding Rectangle) y organiza una colección de objetos espaciales en una jerárquica donde las hojas contienen punteros a los datos y los nodos intermedios contienen el rectángulo mínimo que contiene a sus sub-hojas. Todas las hojas aparecen al mismo nivel. Cada entrada a una hoja es una tupla (R,O), donde R es el MBR y O es el objeto. Cada nodo intermedio es un tupla (R,P), donde R es el MBR que contiene los rectángulos hijos apuntados por P.

Lenguajes de consulta espacial

Las bases de datos espaciales no tienen un conjunto de operadores que sirvan como elementos básicos para la evaluación de consultas ya que estas manejan un volumen extremadamente grande de objetos complejos no ordenados en una dimensión. Es por esto que existen algoritmos complejos para evaluar predicados espaciales. Las consultas son realizadas generalmente en SSQL (Spatial SQL),⁴ el cual introduce, mediante extensiones, los distintos conceptos del álgebra ROSE dentro del lenguaje SQL estándar, es decir, utiliza las cláusulas SELECT-FROM-WHERE para las tres operaciones en el álgebra relacional (proyección algebraica, producto cartesiano y selección). Las tres categorías fundamentales de consultas en un sistema de información espacial son:

• Consultas exclusivamente de propiedades espaciales. Ejemplo: "Traer todos los pueblos que son cruzados por un río".
• Consultas sobre propiedades no espaciales. Ejemplo: "Cuantas personas viven en Valdivia".
• Consultas que combinan propiedades espaciales con no espaciales. Ej: "Traer todos los vecinos de un cuadra localizada en Los Angeles"

En el lenguaje SSQL, el ejemplo del segundo punto se escribiría de la siguiente forma.

SELECT poblacion FROM ciudades WHERE nombre= "Valdivia"

El otro tipo de consultas, para los datos obtenidos mediante rasterización, es llamado PSQL(Pictoral SQL) donde cada objeto espacial se extiende mediante un atributo loc (localización) el cual es referenciado en la cláusula SELECT para una salida gráfica y una cláusula específica para tratar relaciones espaciales. También se destaca en los lenguajes de modelado de la información espacial a GML que es una estructura para almacenar y compartir datos geográficos. Es una codificación del modelo geométrico de rasgo simple del OGC (Open Geospatial Consortium simple feature) usando XML. Un rasgo geográfico (geographic feature) es definido por el OGC como "una abstracción del fenómeno del mundo real, si éste está asociado con una posición relativa a la Tierra". Por tanto, es posible hacer una representación del mundo real con un conjunto de rasgos. La especificación de un rasgo viene dada por sus propiedades, las que pueden pensarse definidas como un triple (nombre, tipo, valor). Si este rasgo es geográfico entonces la propiedad tendrá un valor geométrico. Por tanto, un rasgo simple del OGC es aquel cuya propiedad geométrica está restringida a una geometría simple en la que sus coordenadas estén definidas en dos dimensiones y en el caso de existir una curva, ésta es sujeta a una interpolación lineal. 2010

Aplicaciones BDE

Normalmente las bases de datos espaciales están asociadas a sistemas SIS (Sistemas de Información Estratégicos) o SIG (Sistemas de Información Geográfica). La información geográfica contiene una referencia territorial explícita como latitud y longitud o una referencia implícita como domicilio o código postal. Las referencias implícitas pueden ser derivadas de referencias explícitas mediante geocodificación. La información geográfica es a su vez el elemento diferenciador de un Sistema de Información Geográfica frente a otro tipo de Sistemas de Información; así, la particular naturaleza de este tipo de información contiene dos vertientes diferentes: por un lado está la vertiente espacial y por otro la vertiente temática de los datos. Mientras otros Sistemas de Información contienen sólo datos alfanuméricos (nombres, direcciones, números de cuenta, etc.), las bases de datos de un SIG integran además la delimitación espacial de cada uno de los objetos geográficos. Las implementaciones de bases de datos espaciales se dividen en tres campos.

SIG Puros

Son bases de datos espaciales sin ninguna capa intermedia, realizan las operaciones de selección espacial de manera nativa. Son modulares, extensibles y normalmente con una interfaz amigable. Aunque también son capaces de generar una interfaz gráfica amigable para las bases de datos comunes, de tal manera de utilizar datos espaciales ya almacenados en estas tecnologías.

Ad-hoc

Son sistemas desarrollados para alguna aplicación determinada, que utilizan un sistema de manejo de archivos propio y por ende un sistema de administración de datos propio. Es por eso que no son modulares, ni reutilizables. La ventaja es que son muy eficientes.

Bases de datos con extensiones para bases de datos espaciales

Son sistemas de bases de datos normales a los cuales se les agrega una capa para el manejo de la geometría y hacer el "traspaso" desde datos comunes a datos espaciales transparente al usuario final.

¿Qué son las Bases de Datos Geográficas?

Una Base de Datos Geográfica (BDG) es un conjunto de datos geográficos organizados de tal manera que permiten la realización de análisis y la gestión del territorio dentro de aplicaciones de Sistemas de Información Geográfica (SIG). Además, una BDG se utiliza de soporte para la implantación de servicios geográficos relacionados con las Infraestructuras de Datos Espaciales (IDE), y su contenido es la base fundamental en los procesos de producción cartográficos.

La espina dorsal de una BDG es el modelo de datos, que consiste en la formalización conceptual (descripción) de las entidades geográficas del mundo real con el objeto de realizar una abstracción que permita satisfacer unas necesidades de información. La implementación del modelo debe de facilitar la explotación y optimizar el almacenamiento para conseguir el mejor rendimiento en las consultas.

Todo lo relativo a la descripción de los diferentes productos de una BDG queda reflejado en las denominadas especificaciones del producto. En ellas se recogen tanto el catálogo de objetos geográficos asociado como el sistema de referencia, la calidad de los datos y los metadatos, así como la captura, el mantenimiento y la distribución de los mismos.

Vista de BTN25 y BTN100 de la ciudad de León

La Información Geográfica (IG) se sitúa a la cabeza de los productos más solicitados por los ciudadanos a las administraciones públicas (AA. PP.). El notable aumento de esta demanda ha modificado todo lo relativo a la captura, el almacenamiento, el tratamiento, el mantenimiento y la actualización de la información geográfica y espacial.

El Instituto Geográfico Nacional (IGN) desarrolla en la actualidad diferentes proyectos de I+D+i aplicados a la producción cartográfica y el control de calidad en entornos de (SIG), creando y manteniendo BDG continuas que permiten generar cartografía bajo demanda en función de los cambios acontecidos en el mundo real, y de esta forma romper con el clásico concepto de hoja de serie cartográfica.

 

Vista del entorno de captura en BTN25

La captura masiva y selectiva permite clasificar la IG por temas, garantizando la continuidad de los elementos y concretando las particularidades propias de la temática a la que pertenecen. El almacenamiento de gran volumen de IG requiere la puesta en marcha de servidores y BDG específicas para el tratamiento espacial de los datos, el cual se desarrolla en entornos de producción de SIG, abandonando los sistemas CAD. El mantenimiento y la actualización son tareas destinadas a mejorar la calidad geométrica, semántica y topológica de la IG, parámetros demandados por el usuario final del producto. Las BDG favorecen no solo la «interoperabilidad» entre éstas y otras bases de datos, bien del IGN, bien de otros organismos de las AA. PP., sino que permiten la multirrepresentación a través de procesos de generalización conceptual o cartográfica.

La conjunción de los resultados de estos proyectos facilitará la producción cartográfica automatizada extrayendo IG de diversas fuentes, componiendo la escala y el espacio requerido por el usuario, aportando un producto de calidad y asegurando la actualidad de los datos.

Bases de datos

Autores

• María Arias de Reyna @delawen

Introducción

Una base de datos espacial es una base de datos que se ha optimizado para almacenar y consultar datos que representa los objetos definidos en un espacio geométrico. La mayoría de las bases de datos espaciales permiten representar objetos geométricos simples, tales como puntos, líneas y polígonos. Algunas bases de datos espaciales manejan estructuras más complejas, tales como objetos en tres dimensiones, coberturas topológicas, redes lineales, y TIN.

Aunque a día de hoy existen bases de datos NoSQL que también empiezan a soportar funcionalidades geométricas, en este artículo vamos a centrarnos únicamente en las bases de datos clásicas, dado que son las que tienen, con mucha diferencia, la implementación más madura.

En la siguiente tabla se presentan las características principales de los productos revisados en el contexto de este trabajo. Se puede consultar más información sobre la estructura de la tabla en laintroducción.

Información general sobre servidores

Implementación de estándares OGC

Importante

Se puede consultar la versión más reciente, así como los enlaces asociados y anotaciones en la sección de Bases_de_datos del wiki de OSGeo.

Software

En esta sección se describirá brevemente cada uno de los productos evaluados en esta comparativa. El orden de aparición es cronológico, empezando por los proyectos más veteranos.

MySQLSpatial:

Siendo la extensión para la base de datos más extendida de la lista, su instalación y manejo es muy sencillo. Es una base de datos que se encuentra por defecto en la mayoría de servicios de hosting y por tanto suele ser la puerta de entrada de muchos desarrolladores. Sin embargo, su falta de compatibilidad con los estándares hace que el código no sea fácilmente portable a otras plataformas.

PostGIS:

Basado en postgres, esta potente base de datos multiplataforma es totalmente compatible con OGC. Aunque su uso a nivel general no está tan extendido como MySQL, dentro del sector GIS su uso es casi canónico.

Spatialite:

Al estar basada en SQLite, es una base de datos basada en ficheros, lo que simplifica en gran medida su uso y distribución. Esta extensión es candidata para formar parte de Geo Package, un nuevo formato abierto de OGC para almacenar y transferir datos geográficos.

H2GIS:

H2 es una base de datos Java ligera, con gran facilidad de instalación y distribución. Basada también en ficheros, se distingue de Spatialite porque contiene un servidor que permite varias conexiones concurrentes a la misma.

Puntos calientes

El Open Geospatial Consortium (OGC) ha desarrollado el estándar Simple Feature y establece normas para las funcionalidades espaciales de los sistemas de bases de datos. También llamada norma ISO 19125, se presenta en dos partes:

La primera parte, la norma ISO 19125-1 (SFA-CA para la “arquitectura común”), define un modelo de características simples de dos dimensiones, con interpolación lineal entre vértices. El modelo de datos definido en SFA-CA es una jerarquía de clases. Esta parte también define la representación utilizando WKT (well known text) y WKB (well known binary). Este tipo de datos contiene no sólo las coordenadas del objeto a representar, sino que también contiene referencias a la proyección utilizada y otras características que pudieran resultar de interés a la hora de operar con dichas geometrías.

La segunda parte de la norma ISO 19125-2 (SFA-SQL), define una serie de funcionalidades utilizando SQL. Estas funcionalidades abarcan la mayoría de las operaciones típicas que pueden llevarse a cabo con datos geográficos:

• Mediciones Espaciales: Para calcular la longitud de una línea, el área de un polígono, la distancia entre geometrías,...
• Funciones Espaciales: Modificar geometrías existentes para crear nuevas, es decir, operar con geometrías para obtener nuevas geometrías (intersección, buffering,...)
• Predicados Espaciales: Devuelven un booleano (verdadero/falso) acerca de la condición de una o más geometrías espaciales. Por ejemplo, si dos geometrías interseccionan o si están dentro de un buffer.
• Creación de Geometrías: Normalmente en base a una lista de coordenadas, se genera una nueva geometrías.
• Descripción de Geometrías: Devuelven información específica acerca de una geometría, por ejemplo qué punto es el centro de un círculo.

Curva de aprendizaje y conocimientos previos

Dado que la mayoría de las bases de datos con extensiones espaciales siguen un mismo estándar, la programación y uso de dichas extensiones es muy similar de una plataforma a otra.