Modelos de Datos Vectoriales: El Vector

Definido como una representación tipo objeto del espacio. Los vectores almacenan objetos en el espacio. El almacenamiento de vectores implica el uso de líneas direccionales para representar detalles geográficos. Existen tres detalles básicos o tipos de objetos usados en el modelo vectorial. Estos son:

• Puntos
• Arcos/Líneas
• Polígonos

Modelo Vectorial: Estructura y Atributos

Cada punto, línea o polígono es un detalle con su propio registro y atributos. Estos están asociados a bases de datos de atributos y se consideran tipos de capas vectoriales. Funciona de tal manera que una capa específica mantiene un tipo específico de datos, por ejemplo:

• Carreteras – en una capa de líneas
• Parcelas – en una capa de polígonos
• Estaciones climatológicas – en una capa de puntos

Modelo Vectorial: Registro de Coordenadas

En un modelo de datos vectorial, cada posición se registra como un simple par coordenado x,y:

• Puntos se registran como una coordenada simple (están definidos por un par coordenado, esto es, un vértice).
• Líneas se registran como una serie de coordenadas ordenadas x,y.
• Áreas se registran con una serie de coordenadas x,y que definen segmentos lineales que encierran un área, de aquí el término Polígono, que significa “figura de muchos lados”. Se definen por un conjunto de pares coordenados cerrados.

Con las coordenadas x,y, se pueden representar puntos, líneas y polígonos como una lista de coordenadas en vez de una imagen.

Detalles Puntuales

Representan una posición. Definen objetos como líneas o áreas (polígonos) – usualmente representados por un símbolo o etiqueta. Los puntos se encuentran posicionados de acuerdo al sistema de referencia tal como latitud y longitud, etc. La aplicación determina el nivel de precisión.

• Cada punto tiene posición única.
• Los puntos no tienen longitud o área a ninguna escala.
• Constan de un par coordenado XY.
• Representan un detalle muy pequeño para ser mostrado como una línea o un área.

Dos puntos definen un segmento de línea. Uno o más definen un arco. Los puntos finales de un arco son nodos. Los puntos intermedios son vértices. El detalle es el arco y no la línea. Dos arcos se encuentran en un nodo.

El punto es el tipo de objeto espacial más simple. La selección de entidades que van a ser representadas como puntos depende de la escala del mapa/estudio. A grandes escalas (áreas pequeñas) las casas se pueden codificar como puntos. En mapas de escala pequeña (grandes áreas) las ciudades se pueden codificar como puntos.

La información de un conjunto de puntos se guarda en una tabla de atributos:

• Cada fila de la tabla se relaciona a un punto.
• Cada columna es un atributo.
• Cada punto es independiente de los otros, representados en filas separadas en la base de datos.

Detalles de Línea / Arcos

Es un conjunto de coordenadas conectadas que representan la forma lineal de una entidad geográfica que puede ser difícil de desplegar (muy delgada) como un área, por ejemplo, una carretera o un detalle sin ancho (curvas de nivel). Los arcos/líneas:

• Tienen longitud pero no anchura.
• Consisten en una serie de coordenadas XY.
• Representan detalles que son muy angostos para tener un área (aunque líneas gruesas usadas para mostrar ríos y carreteras parezcan lo contrario).

La línea se construye como un conjunto ordenado de coordenadas vinculadas en una cadena para representar la forma y longitud de un detalle tal como una vía. La decisión de representar un detalle como una línea depende de la escala si el detalle lineal ocupa espacio a escala 1:1. Otro término relacionado es ARCO.

Nodos y Vértices

Las coordenadas usadas para definir la longitud y forma de una línea son puntos redefinidos que están vinculados. Los términos que describen los puntos que se usan para definir una línea son NODO y VÉRTICE. Un NODO está localizado a cada extremo de la línea, identificando de esta manera su inicio y fin. Los VÉRTICES definen la forma de la línea y ocupan posiciones entre los dos nodos.

Ejemplos de Redes:

• Infraestructura: autopistas y trenes.
• Servicios públicos: gas, electricidad, teléfono, agua.
• Aviación: rutas y aeropuertos.
• Naturales: canales de ríos.

Atributos

Ejemplos de atributos para líneas:

• Dirección del tráfico
• Volumen del tráfico
• Longitud de tramos de carretera
• Número de vías
• Tiempo de viaje
• Diámetro de tuberías
• Dirección del flujo de gas
• Voltaje de líneas de transmisión eléctrica
• Altura de torres
• Número de pistas
• Número de trenes
• Gradiente
• Ancho del túnel más angosto
• Capacidad de carga del puente más débil

Ejemplo de atributos para nodos:

• Presencia de semáforos
• Nombres de intersecciones
• Nombres de calles que se intersectan
• Presencia de válvulas
• Transformadores

Polígonos / Áreas

Son figuras cerradas cuyos bordes encierran un área homogénea, tal como una parcela o lago, etc. Los polígonos están constituidos por segmentos rectos conectados a ángulos variados.

• Tienen un área.
• Consisten en una serie de coordenadas xy.
• Arcos/líneas constituyen el borde.
• Representan detalles que tienen área (homogénea como bosque, lago, municipio).

Estos fenómenos están descritos por uno o más atributos. Área completamente encerrada por uno o más arcos. Los polígonos tienen características de forma y de área. Cada polígono está relacionado a una tabla de atributos.

El borde o límite de un polígono puede estar definido por fenómenos naturales, por ejemplo lagos o ríos, o por el hombre como en los rodales (unidades forestales) o bloques del censo. Los arcos que forman el polígono comienzan y terminan en nodos. Los polígonos adyacentes comparten un mismo arco.

Existen varios tipos de áreas representadas por polígonos:

• Zonas de recursos ambientales: Datos de cobertura del suelo – bosques, manglares, urbana.
• Datos geológicos: tipos de roca.
• Datos forestales: rodales, unidades forestales.
• Datos del suelo: tipos de suelo. Los límites están definidos por los fenómenos en sí mismos, por ejemplo por el cambio del tipo de suelo.
• Zonas socio-económicas: Incluye los bloques del censo, códigos postales, etc.
• Límites o divisiones socio-políticas: Registros catastrales, Censo catastral, uso de la tierra, registros de propiedad, información sobre impuestos.
• Huecos o islas: Las áreas a veces tienen huecos o áreas con diferentes atributos totalmente encerradas dentro.

Tipos de Modelos de Datos Vectoriales

Todos los modelos de datos espaciales son aproximaciones usadas para el almacenamiento de las posiciones espaciales de los detalles geográficos en una base de datos. Los tipos de modelos de datos vectoriales más usados son:

• Modelo espagueti – No-topológico
• Modelo Topológico
• Triangulated Irregular Network (TIN)
• Modelos de Red
• Digital Line Graph (DLG)
• Shapefile (ArcGIS; ESRI)
• Otros: PostScript/ASCII, CAD/DXF, DGN, etc.

Modelo de Datos Espagueti

Examinaremos el modelo no topológico o espagueti primero, en el que cada línea o polígono que representa un detalle geográfico se almacena como un registro en un archivo que contiene los ID (identificadores) de los detalles y una lista de coordenadas que describen su localización (o el espacio que ocupa). Este es un modelo muy simple pero eficiente para el despliegue y ploteo de la información, pero no muy bueno para el análisis.

El almacenamiento de las coordenadas XY se hace individualmente para puntos, líneas y polígonos; por ejemplo, una línea que es límite entre dos polígonos se almacena dos veces, una vez por polígono.

Datos No Vinculados: Características

• Un conjunto de puntos y segmentos de línea que no tienen relaciones explícitas.
• Los objetos se almacenan como entidades independientes (solo se guarda la geometría).
• Las líneas en el mapa pueden ser realmente una serie de segmentos que se encuentran en diferentes partes de la base de datos.
• No hay puntos para identificar los sitios donde se cruzan las líneas (nodos).
• Cada polígono está representado por un conjunto de coordenadas que constituyen el borde.
• Los bordes comunes entre polígonos están representados doblemente.

Modelo de Datos Topológico

El método más usado para el almacenamiento de las relaciones espaciales entre los detalles es el del registro explícito de la información de adyacencia que se conoce como modelo de datos topológico. La topología es un concepto matemático que tiene su base en los principios de adyacencia y conectividad de los detalles.

La topología muestra cómo los detalles se relacionan unos a otros y cómo se ubican en relación a los otros detalles. Las relaciones espaciales entre los objetos se registran a través del uso de la topología, la cual es necesaria para el análisis espacial. Se codifican las relaciones espaciales entre los objetos: la posición espacial de cada punto, línea y polígono se define en relación a los otros puntos, líneas y polígonos. La topología permite definir el comportamiento de un objeto en relación a los demás. La topología es necesaria para el uso de las potentes herramientas de análisis espacial y puede reducir el error – incrementar la calidad significativamente. Los archivos vectoriales en la mayoría de los software SIG están codificados topológicamente.

La topología define explícitamente las relaciones espaciales. Estas se expresan como listas (por ejemplo, un polígono se define como una lista de los arcos que constituyen sus bordes).

La creación y almacenamiento de las relaciones topológicas tiene muchas ventajas. Los datos se almacenan de manera eficiente; así grandes conjuntos de datos se procesan rápidamente. La topología facilita las funciones analíticas, tales como el modelado del flujo a través de líneas que se conectan en una red, combinando polígonos adyacentes de características similares, identificando detalles adyacentes y superponiendo detalles geográficos.

Propósito de la Topología

Una de las funciones más importantes de la topología es asegurar la calidad de los datos y la consistencia lógica. Cuando importamos datos de líneas y polígonos de fuentes externas, frecuentemente encontramos errores tales como líneas que no llegan a su destino o se sobrepasan, polígonos que no cierran, etc. Una estructura topológica ayuda a asegurar que no ocurran problemas porque establece el uso de reglas espaciales definidas por el usuario. Se puede también usar la topología para definir las reglas espaciales entre capas para minimizar los errores y asegurar su consistencia lógica.

La Topología permite:

• El cálculo de distancias
• Análisis de red
• Análisis de conectividad
• El uso de comandos de digitalización

Tipos de Topología Vectorial

• Topología Arco-nodo: expresa la manera en que los detalles lineales se conectan a los puntuales.
• Topología de Polígonos: la manera en que los polígonos vecinos se conectan y comparten los bordes.
• Topología de Rutas: la manera en que un detalle lineal de un tipo (por ejemplo, línea del tren) comparte segmentos con detalles lineales de otro tipo (por ejemplo, líneas de bus).

Conceptos Topológicos Importantes

• Conectividad: Los arcos se conectan entre sí en los nodos. La topología arco-nodo describe la manera en que los detalles lineales se conectan a los detalles puntuales.
• Definición de Áreas: Los arcos que se conectan para rodear un área definen un polígono. La manera en que los polígonos vecinos se conectan y comparten bordes.
• Contigüidad: Los arcos tienen dirección y arcos a la izquierda y a la derecha.

Conectividad

La conectividad permite la identificación de rutas. Un arco se define por dos puntos finales, el “from-node” indica donde comienza el arco y el “to-node” indica donde termina. Esto es lo que se denomina topología arco-nodo.

La topología se construye a partir de una lista arco-nodo. La lista identifica los nodos inicio y final para cada arco. Los arcos que se conectan se determinan en una búsqueda en la lista a través de los números de nodos comunes.

Definición de Área

Un área está representada en el modelo vectorial por uno o más límites que definen un polígono. En la terminología del modelo vectorial, una isla define un límite inferior (o hueco) de un polígono.

Contigüidad

La contigüidad es el concepto topológico que permite al modelo de datos vectorial determinar la adyacencia. Los nodos de inicio (from-node) y fin (to-node) definen un arco. Esto indica la dirección de un arco, de modo que los polígonos a su izquierda y derecha puedan ser determinados.

Rutas

Las rutas definen caminos a lo largo de un conjunto existente de detalles lineales, tales como el camino a través de la red vial desde su casa al aeropuerto. Las rutas están basadas en arcos.

Eventos en una Ruta

La topología tiene que reconstruirse después de que la cobertura ha sido editada, o después de la creación de una nueva cobertura a partir de la superposición espacial (superposición, buffer, etc.). El tiempo de computación, usado en la identificación de todos los nodos, era un problema que ya ha sido superado con el incremento de la velocidad de los procesadores.

Ventajas de los Datos Vectoriales

• Los datos pueden ser representados en su forma y resolución original sin generalización.
• La salida gráfica es usualmente más estética (representación cartográfica tradicional).
• Se mantiene la exacta localización geográfica de los datos.
• Permite la codificación eficiente de la topología, y como resultado, las operaciones que requieren información topológica son más eficientes, por ejemplo, la proximidad y el análisis de redes.

Desventajas de los Datos Vectoriales

• La localización de cada vértice necesita almacenarse explícitamente.
• Para un análisis efectivo, los datos vectoriales deben convertirse en una estructura topológica. Esto a veces requiere un procesamiento intensivo y una limpieza extensa de los datos. Sin embargo, la topología es estática, y cualquier actualización o edición de los datos requiere la reconstrucción de la topología.
• Los algoritmos para las funciones de manejo y análisis son complejos y requieren mucho procesamiento. Casi siempre esto constituye una limitación para el manejo de conjuntos de datos grandes.
• Los datos continuos, tales como la altura, no se representan eficientemente en el formato vectorial. Generalmente estos datos requieren mucha generalización e interpolación.

Formatos de Datos Vectoriales

Muchas aplicaciones SIG están basadas en tecnología vectorial, de tal manera que los formatos vectoriales son más comunes. También son los más complejos porque hay muchas maneras de guardar las coordenadas, atributos, vínculos de atributos, estructuras de bases de datos y despliegue de la información.

Arc Export

Es un formato de transferencia, ASCII o binario comprimido, usado para transferir archivos entre diferentes versiones de ARC/INFO. No está documentado y trabaja solo con productos ESRI.

ARC/INFO Coverages

Una «coverage» (cobertura) ARC/INFO es un conjunto de archivos binarios internos usados por ARC/INFO, un programa SIG. Este formato es propietario y no se puede usar fácilmente con otros programas.

gvSig .gvp

El formato gvp es un manejador de datos, no contiene información dentro. Parecido al .apr de ArcView, o como el .mxd de ArcMap.

ESRI ArcView .shp

Archivo shape de formato vectorial de almacenamiento digital donde se guarda la localización de los elementos geográficos y los atributos asociados a ellos.

Archivos de Dibujo AutoCAD (DWG)

DWG es un formato propietario interno usado por el software AutoCAD, el cual es un programa de diseño asistido por computadora (CAD). A pesar de su naturaleza propietaria, AutoCAD puede convertir cualquier archivo DWG a un archivo DXF sin pérdida de la información gráfica.

Formato Data Interchange File (DXF) de Autodesk

.DXF es probablemente el formato de transferencia de datos más usado. Un archivo en formato DXF ofrece muchas ventajas. Contiene un despliegue de información muy completo y casi cualquier programa gráfico lo puede leer. Sin embargo, hay muchas maneras de almacenar información de atributos en DXF y de vincular entidades DXF a atributos externos.

Digital Line Graphs (DLG)

DLG es un formato de transferencia usado por el US Geological Survey (USGS). Este formato describe información vectorial desplegada en mapas convencionales de papel. Este formato porta información de coordenadas y también de clasificación de detalles pero no otros datos de atributos. El formato DLG estándar es importante ya que el USGS y otras agencias gubernamentales americanas lo han usado para publicar un gran volumen de mapas.