Software y tecnología

El concepto clásico de un SIG es el de una aplicación completa en la cual se implementan herramientas para llevar a cabo las tareas básicas del trabajo con datos geográficos: creación o edición, manejo y análisis. Junto a este enfoque tradicional, con el tiempo han surgido otras formas distintas de aplicaciones que también pueden considerar como parte del ámbito del SIG.

Veremos en este capítulo las características de las aplicaciones SIG, divididas en tres grupos fundamentales: herramientas de escritorio, cartografía en la Web (Web--mapping) y SIG móvil. Asimismo, veremos algunos aspectos tecnológicos relacionados con ellas.

Herramientas de escritorio

Podemos dividir las funciones básicas de un SIG de escritorio en cinco bloques: entrada y salida de datos, visualización, edición, análisis y generación de cartografía. Una aplicación de escritorio habitual presenta todas estas capacidades en cierta medida, aunque no necesariamente con el mismo nivel de implementación.

Entrada y salida de datos

Una aplicación SIG de escritorio debe implementar capacidades para leer datos y, opcionalmente, para guardarlos. Esta ultima es necesaria en el caso en que el SIG pueda generar nuevos datos geográficos (nuevas capas), pero no en aquellas aplicaciones sin capacidades de análisis o edición, donde su empleo no ha de crear nuevos datos.

La existencia de librerías y componentes de acceso a datos en los que las aplicaciones SIG de escritorio pueden apoyarse permite dar soporte al gran número de formatos de datos existentes, mejorando la conectividad entre estas.

Además de acceder a ficheros de datos, en la actualidad es importante poder acceder a bases de datos o servicios remotos. Hablaremos de estos últimos más adelante dentro de este capítulo.

Visualización

La visualización es una función fundamental dentro de los SIG y del trabajo con cartografía en general. Tiene importancia cuando la representación de los datos es el propósito principal de utilizar un SIG, pero también cuando el trabajo está enfocado a la edición o la realización de análisis, ya que la visualización y exploración visual de los datos de partida es un paso previo.

Esta estructura se compone fundamentalmente de un lienzo sobre el que se sitúan las distintas capas de información geográfica, y que el usuario va conformando añadiendo nuevas capas y editando su simbología, es decir, la forma en la que estas se representan. Las capas se sitúan en un orden dado dentro del lienzo, lo que permite establecer una jerarquía de representación y así lograr el aspecto deseado.

Junto a este lienzo existen herramientas de navegación que permiten ampliar o reducir la escala, o bien modificar el encuadre (Figura 7.1).


Figura 7.1: Herramientas de navegación fundamentales en el entorno gráfico de un SIG de escritorio. a) alejamiento (zoom out), b) acercamiento (zoom in), c) desplazamiento (pan)

El aspecto más destacable de la visualización de datos espaciales en un SIG es que, a diferencia de un mapa clásico donde no pueden modificarse sus características, el usuario puede aquí de forma rápida y sencilla elegir qué ve y cómo lo ve. El dato espacial digital es independiente de la información necesaria para su representación (colores, texturas, etc.), y un mismo dato puede por tanto representarse de maneras diferentes. Esto es particularmente cierto para el caso de capas vectoriales, así como para capas ráster que contengan un valor de tipo no gráfico, es decir, aquellas que no sean imágenes.

Aunque en el caso más habitual la representación de una capa en un lienzo de un SIG es bidimensional, existen también SIG con capacidades de visualización tridimensional. En este caso, las herramientas de navegación son más complejas, existiendo ajustes relativos a la perspectiva, a los ángulos de visión o a la exageración del relieve, entre otros parámetros.

Análisis

El análisis es una capacidad fundamental de los SIG desde sus orígenes. Otros usos, tales como la visualización, pese a ser prácticamente imprescindibles hoy en día, estaban muy limitados en los primeros SIG.

La tendencia actual en los SIG es considerar las capacidades de análisis como herramientas modulares que se ejecutan sobre una plataforma base, la cual comprende las capacidades de visualización y entrada y salida de datos. Todas estas capacidades de análisis son independientes entre sí, aunque pueden coordinarse y emplearse en conjunto para alcanzar un resultado concreto.

Cuando las herramientas de análisis utilizan directamente la base del SIG donde se encuentran las capacidades de visualización y manejo de datos, puede existir cierto grado de interactividad. Por ejemplo, el usuario puede delimitar un área o introducir una corrdenada operando sobr eel lienzo donde se representan las capas, y este valor se utilizará después como parámetro de entrada para una operación analítica.

En caso de no existir este tipo de interacción entre elementos de análisis y elementos de visualización y exploración de datos, los procesos de análisis suelen constituir utilidades autocontenidas que simplemente toman una serie de datos de entrada, realizan un proceso en el que el usuario no interviene, y finalmente generan un resultado con carácter definitivo. Este resultado podrá ser posteriormente visualizado o utilizado como entrada para un nuevo análisis.

Por su naturaleza, tanto los datos espaciales como los procesos en los que estos intervienen se prestan a formar parte de flujos de trabajo más o menos complejos, y es por ello que en los SIG actuales una funcionalidad básica dentro del análisis es la automatización. Esta se da mediante la creación de tareas complejas que permiten simplificar todo un proceso de muchas etapas en una única que las engloba a todas. La forma anteriormente comentada en que aparecen las formulaciones dentro de un SIG, de forma atomizada y modular, facilita la creación de estos «modelos» a partir de procesos simples.

Asimismo, las herramientas SIG que contienen funcionalidad de análisis suelen permitir el acceso a estas a traves de lenguajes de scripting, lo cual facilita la creación de flujos de trabajo y la automatización de rutinas complejas de análisis. Si bien este trabajo requiere mayores conocimientos, la flexibilidad y potencia que ofrece es mucho mayor.

Edición

Los datos geográficos con los que trabajamos en un SIG no son una realidad estática. La información contenida en una capa es susceptible de ser modificada o corregida, y las funciones que permiten estas tareas son importantes para dotar al SIG de versatilidad. Sin ellas, los datos espaciales pierden gran parte de su utilidad dentro de un SIG, ya que se limitan las posibilidades de trabajo sobre estos. Las funcionalidades de edición son, por tanto, básicas en una herramienta de escritorio.

Las operaciones de edición pueden emplearse para la creación de nueva cartografía, así como para la actualización de esta. Aunque las tareas de edición más habituales son las relacionadas con la edición de geometrías, no es esta la única edición que puede realizarse dentro de un SIG. Podemos distinguir las siguientes formas de edición:

Las herramientas destinadas a la edición de entidades geométricas heredan sus características de los programas de diseño asistido por ordenador (CAD), cuya funcionalidad principal es precisamente la edición de elementos gráficos. Aparecen en algunos casos herramientas adicionales, como sucede en el caso de que se registre información topológica.

Generación de cartografía

La mayoría de las herramientas de escritorio incorporan capacidades de creación de cartografía impresa, generando un documento cartográfico que posteriormente puede imprimirse y emplearse como un mapa clásico. Estas capacidades permiten la composición de documentos cartográficos de acuerdo con un diseño dado, y la impresión directa de estas en algún periférico tal como una impresora común o un plotter de gran formato.

Las funciones de diseño que se implementan por regla general en un SIG son similares a las que pueden encontrarse en un software de maquetación genérico, permitiendo la composición gráfica del documento general y el ajuste de los distintos elementos que lo forman. Entre estos elementos, destaca el mapa como tal, es decir, aquel que contiene la representación del dato geográfico.

Junto a esto, las herramientas de escritorio incluyen funcionalidades para automatizar la producción cartográfica, tales como la creación de plantillas o las generación de series de mapas que cubren en su conjunto una amplia extensión, fragmentando esta en unidades (Figura 7.2)


Figura 7.2: La automatización de las tareas de creación cartográfica permite simplificar la producción de grandes volúmenes de cartografía, como por ejemplo al dividir un área geográfica en una serie dada de mapas.

Estas posibilidades surgen de la separación entre los datos espaciales y el diseño del documento cartográfico que los contiene, del mismo modo que ya vimos que existe entre datos y parámetros de representación a la hora de visualizar los primeros.

Cartografía en la Web (Web--mapping). Clientes y servidores

Uno de los avances más importantes en la historia de los SIG lo constituye la llegada del Web Mapping. Entendemos como tal a las tecnologías que permiten incorporar las ideas de los SIG dentro de paginas Web, utilizando un navegador Web como aplicación principal. Asimismo, estas tecnologías, junto a la importancia de Internet, han propiciado el desarrollo de otros elementos tecnológicos tales como servicios de datos remotos, que se utilizan tanto en las aplicaciones de escritorio como en el propio Web Mapping.

Los conceptos de servidor y cliente son fundamentales en este contexto. Veamos algunas ideas generales al respecto.

Conocemos como servidor al elemento encargado de proporcionar (servir) algún tipo de contenido. En el ámbito SIG, se trata fundamentalmente de datos geográficos, que constituyen el principal producto que se distribuye a través de la red dentro de nuestro campo.

El cliente es responsable de pedir ese dato al servidor, tomarlo y trabajar con él. Un navegador Web es un cliente, ya que realiza una petición para mostrar una página Web. Al introducir una direccion Web en la barra de direcciones del navegador, proporcionamos una serie de datos que son los que se emplean para realizar el proceso.

Supongamos la dirección Web:

http://victorolaya.com/writing

Al visitar esa página, se efectua una petición a través de su dirección, la cual se compone de las siguientes partes:

El proceso mediante el que podemos ver esa página en un navegador Web comprende los cuatro pasos siguientes:

  1. El cliente realiza la petición.
  2. La petición se conduce a través de la red hasta el servidor.
  3. El servidor busca la página y la devuelve a través de la red en caso de encontrarla, o devuelve una pagina de error en caso de no tenerla.
  4. El cliente recibe la página y la representa.

La figura 7.3 muestra un esquema de este proceso.


Figura 7.3: Esquema del proceso de consulta de una página Web desde un navegador.

Se establece una relación entre clientes y servidores, en la cual un número variable de clientes se «conectan» a un servidor, del cual obtienen una serie de datos cuando este responde a las peticiones formuladas por cada uno de ellos. En la arquitectura cliente--servidor, este último es el que posee la información a compartir a través de los servicios, mientras que en cada uno de los clientes se almacena tan solo la información personal de estos.

Veamos ahora algunas características de los servidores y clientes dentro del ámbito SIG.

Respecto a los servidores, las capacidades fundamentales en este contexto pueden dividirse en los siguientes grupos:

Respecto a los clientes, distinguimos en función de sus capacidades dos clases:

Algunas técnicas relacionadas con servicios SIG

Dos técnicas básicas que se emplean actualmente en los clientes que manejan información geográfica son el tiling y el cacheo. Estas técnicas permiten que la experiencia de trabajar con un cliente SIG, ya sea este ligero o pesado, sea más agradable, logrando una mayor fluidez y superando en cierta medida las limitaciones de la red.

Ambas técnicas se utilizan en servicios en los que el servidor provee imágenes, ya que es en estos en los que resultan aplicables, y también donde es más necesario recurrir a este tipo de técnicas.

El tiling es una técnica consistente en dividir las imágenes con las que se trabaja en imágenes menores que formen un mosaico. Esto permite un trabajo más rápido, al utilizar unidades mínimas de menor tamaño y poder reducir la necesidad de transmitir datos a través de la red si se realiza una gestión correcta del conjunto de elementos de ese mosaico. En lugar de transmitir una única imagen se transmiten varias de menor tamaño y la información correspondiente a la posición relativa de estas.

El cacheo, por su parte, es una técnica no exclusiva del ámbito SIG, sino de la Web en general, y consiste en almacenar de forma temporal los datos obtenidos de un servidor en la máquina local. De este modo, si volviera a resultar necesario acceder a esos datos, no han de pedirse al servidor, sino que pueden recuperarse de la copia local, con las ventajas que ello tiene en cuanto a la velocidad de acceso y la fiabilidad del proceso.

El uso conjunto de tiling y cacheo puede disminuir sensiblemente el volumen de datos a transmitir para, por ejemplo, modificar el encuadre de un mapa en una aplicación SIG Web. La figura 7.5 muestra un ejemplo sencillo que servirá para comprender el ahorro de datos que puede conseguirse con el uso conjunto de estas técnicas.


Figura 7.5: Esquema del uso de tiling y cacheo para optimizar la transmisión de datos en una aplicación SIG Web

Inicialmente, la aplicación encuadra una región que cubre 20 elementos o teselas. Si el usuario desplaza el encuadre para que cubra otro área distinta, como en el caso mostrado en la figura, el cliente realizará una nueva petición y obtendrá una nueva imagen, que tendrá exactamente el tamaño con que esa imagen va a representarse. Este es exactamente el mismo tamaño que la imagen que encontramos inicialmente en el encuadre original, y por tanto la representación de este encuadre original y posteriormente el encuadre modificado requiere transmitir dos imágenes que cubren cada una de ellas veinte teselas.

Si, por el contrario, aplicamos conjuntamente las técnicas anteriores de tiling y cacheo, al variar el encuadre no es necesario obtener del servidor una imagen que cubra todo el área a representar, sino tan solo los 8 elementos correspondientes a la zona no cubierta por la imagen inicial, ya que los restantes ya habrán sido obtenidos con anterioridad y se encontrarán almacenados (cacheados) en nuestro ordenador. Es decir, el cliente crea la imagen a representar con 8 subimágenes pedidas al servidor y otras 12 ya descargadas previamente, reduciendo sensiblemente el volumen de datos pedidos al servidor.

Una técnica de reciente aparición es la denominada tiling vectorial. Aplicando los mismos principios que el tiling, es decir, la subdivisión de los datos de forma regular, las capas vectoriales se «trocean» en el origen y se envían después solamente los datos necesarios para el área cubierta en el cliente.

Combinando este enfoque con el uso de capas con distinto detalle según la escala, se logran dos ventajas:

Al enviar los datos en lugar de una representación de estos, el cliente es quien debe establecer la simbología. Al mismo tiempo, se logran ventajas en la experiencia de usuario, debidas principalmente a la escalabilidad de los datos vectoriales, que permite por ejemplo presentar transiciones más fluidas cuando se modifica la escala del mapa.

Obviamente, este tipo de enfoque es válido unicamente para el caso de capas vectoriales.

Estándares

Para garantizar el buen funcionamiento de un sistema cliente--servidor, es importante definir de forma adecuada cómo se establece la comunicación entre clientes y servidores. Esto obliga a establecer una cierta normalización y crear elementos que sean conocidos e implementados por las distintas partes. Esta lingua franca es lo que denominamos un estándar.

En circunstancias ideales, debe existir una total interoperabilidad con independencia de los formatos y las aplicaciones empleadas, pudiendo interactuar entre sí los distintos clientes y servidores. Los estándares son el elemento que va a permitir esa interoperabilidad, definiendo el marco común que clientes y servidores emplearán para entenderse. Los estándares son los encargados de aportar homogeneidad tecnológica.

La interoperabilidad implica que podemos sustituir unos elementos del sistema en el que se incluyen los clientes y servidores por otros distintos, teniendo la seguridad de que van a interaccionar entre ellos sin dificultades. Las funcionalidades que un cliente o servidor nos ofrece pueden ser distintas a las de otro, pero independientemente de su origen (independientemente del fabricante), si esos elementos implementan un estándar dado, siempre podrán interactuar con todos aquellos que también lo implementen.

Un estándar se considera como tal cuando es empleado por un grupo o comunidad, que lo acepta para la definición de las características de ese producto o servicio en su seno. Si únicamente es el uso del estándar el que lo ratifica como tal, se denomina estándar de facto. Existen estándares que se convierten en normas o estándares de iure, cuando estos son promovidos por algún organismo oficial de normalización o su uso se impone con carácter legal.

Un estándar abierto es aquel cuya definición se encuentra disponible y todo aquel que lo desee puede conocerla y emplearla para el desarrollo de la actividad relacionada con ese estándar.

Los principios fundamentales de los estándares abiertos son los siguientes:

Para tener una noción de lo que en la práctica realmente significa el uso de estándares abiertos en el campo de los SIG, podemos ver la figura 7.6, donde se representa el esquema de una arquitectura no interoperable. Es decir, una arquitectura que no se basa en este tipo de estándares.


Figura 7.6: Esquema de una arquitectura no interoperable.

Los datos que se encuentran en cada base de datos son accesibles únicamente a través de un único cliente, que es aquel correspondiente al servidor que ofrece servicios basados en esos datos. Los restantes datos quedan fuera del alcance de ese cliente, ya que no es capaz de acceder a ellos. Las diferentes soluciones cliente--servidor crean en esta situación un conjunto de islas tecnológicas, cada una completamente independiente y sin posibilidad alguna de interactuar con las restantes.

Entre los principales inconvenientes de una arquitectura no interoperable como la representada podemos citar los siguientes:

En contraste con lo anterior, tenemos una situación de plena interoperabilidad basada en estándares abiertos como la representada en el esquema de la figura 7.7.


Figura 7.7: Esquema de una arquitectura interoperable.

En este caso, existe un servidor que es el que gestiona y ofrece los servicios para cada base de datos, pero a él pueden acceder todos los clientes, ya que por el hecho de estar basados en estándares abiertos es posible una comunicación plena entre dos cualesquiera de ellos.

Principales estándares

Los estándares más habituales en el campo de la información geográfica son elaborados por el Open Geospatial Consortium (OGC). OGC es una organización internacional y voluntaria dedicada a la elaboración de estándares en el ámbito de los contenidos geoespaciales.

Algunos de los estándares OGC más relevantes son los siguientes:

Cada uno de estos estándares está descrito en una especificación, y estas están sujetas a cambios y mejoras, existiendo varias versiones en cada caso.

Junto a estos estándares, encontramos los elaborados por otras organizaciones como ISO o W3C, de ámbito más general, pero que también tienen importancia en el ambito SIG. Entre ellos, destacar los estándares ISO encargados de definir el formato de almacenamiento de metadato, o los estándares de W3C para la comunicación en Internet.

SIG móvil

El SIG sobre plataformas moviles (teléfonos, tablets, etc.) tiene una innegable relación con las formas de SIG que hemos visto, tanto el SIG de escritorio como el SIG movil. A los elementos de estas se suman las propias características de funcionar sobre un dispositivo movil, que proporcionan un gran número de posibilidades adicionales.

Los dispositivos móviles actuales ofrecen dos funcionalidades fundamentales en este sentido: el acceso inalámbrico a Internet y la capacidad de conocer la posición del dispositivo. Esta última puede introducirse manualmente, calcularse en a partir de la red, o bien con métodos basados en el propio dispositivo. A día de hoy, lo más habitual es el uso del sistema GPS, que entra dentro de este ultimo grupo. Una excepción es el caso de posicionamiento en interiores, donde el GPS no está operativo, y en el que puedenemplearse en su lugar métodos basados en una red local dentro del recinto en cuestión.

Las circunstancias anteriores permiten implementar una funcionalidad cercana al SIG clásico, pero con mayor potencial (por ejemplo, para la recogida de datos), así como ofrecer servicios basados en localización.

Algunos de los grupos principales en que estos servicios pueden agruparse son los siguientes:

La información adicional que el dispositivo movil provee permite ampliar el contexto de la aplicación SIG, gracias a que se conoce la localización, la orientación (hacia dónde se desplaza el usuario o qué tiene delante de sí), la velocidad, e incluso el entorno físico (iluminación, etc.)

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