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GESTIÓN DE DATOS LIDAR A TRAVÉS DE SIG Y BASE DE DATOS GEOESPACIAL

Javier Arellano Sánchez; Sandra Yazmín Betts Gómez; Olivia Ramírez Rodríguez Instituto Nacional de Estadística y Geografía

Av. Héroe de Nacozari 2301, Fracc. Jardines del Parque, C.P. 20276, Aguascalientes, México [email protected]; [email protected]; [email protected]

RESUMEN

El presente trabajo tiene como objetivo describir la propuesta en el uso de herramientas SIG para la organización y disposición de datos LiDAR y el desarrollo de una base de datos para su gestión. El método de trabajo en el uso de SIG se basa en la concatenación cíclica de tres metodologías de trabajo: Plan de Cobertura, Control de Calidad In Situ y Ajuste de Datos LiDAR; por su parte la generación de la Base de Datos Geoespacial aplicó una metodología consistente en siete etapas: 1. Identificación y análisis de requerimientos, 2. Diseño conceptual, 3. Elección de un Sistema Manejador de Base de Datos (SMBD), 4. Aplicar reglas de transformación, 5. Asignación de parámetros de almacenamiento, 6. Diseño de esquema de consulta (SQL), índices, restricciones y triggers, 7. Esquema implementado.

Palabras clave: LiDAR, SIG, Base de Datos.

LiDAR DATA THROUGH GIS AND GEO-SPATIAL DATABASE

Abstract

The objective of this paper is to describe a proposal of GIS tool use for Lidar Data Organization and availability, and also the database development for its management. The working method for the use of GIS is based on the cyclical concatenation of three working methodologies: Coverage plan, In situ quality control and Lidar data adjustment. The generation of the geospatial database was performed applying a seven step methodology: 1. Requirement identification and analysis, 2. Conceptual design, 3. Selection of a database managament system, 4. Transformation rule application, 5. Storage parameter determination, 6. Design of a query, indexes, restrictions and triggers scheme (SQL), and 7. Scheme implementation.

Key words: LiDAR, GIS, Database.

Gestión de Datos LiDAR a través de SIG y Base de Datos Geoespacial

1

1. Introducción

Considerando la importancia de los datos de relieve en el mundo para el modelado del terreno que demandan mayor exactitud y oportunidad en su disponibilidad se han venido adoptando las mejores prácticas y estándares internacionales que involucran el uso de tecnología de punta, entre las que se destaca el uso de la percepción remota aerotransportada para la georreferencia espacial de fenómenos naturales y culturales. Entre los sensores aerotransportados para la percepción remota activa se encuentra el denominado LiDAR como método para detectar objetos a distancia y determinar su posición tridimensional de una forma rápida, precisa y con calidad. La tecnología exige el manejo de grandes volúmenes de información en formatos binarios y ASCII, entre los tipos de datos que se manejan y administran están los geodésicos y láser, así como información para la planeación y la derivada de la captación de datos que se organiza en tablas, capas, imágenes e informes, a su vez todo contenido en bases de datos para la producción y explotación de la información. El presente trabajo describe, por una parte, el aprovechamiento de la tecnología LiDAR en México por parte del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), así como la utilidad de la gestión de datos mediante SIG y BDG para planear y controlar la producción, la organización y la gestión de datos láser como insumo para obtener datos de relieve, clasificados como información de interés nacional en el contexto de la Ley del Sistema Nacional de Información Estadística y Geográfica (SNIEG) http://www.snieg.mx/. Se muestra la importancia y papel que desempeñan el uso de los SIG y las BDG en la estructuración de contenedores de datos para análisis espacial y obtención de información para orientar la mejor toma de decisiones, en el estudio, mitigación y ordenamiento de aspectos ambientales, desastres naturales, demografía, riesgos hidrometeorológicos, entre otros.

2. Estado del Arte y Marco Teórico

El INEGI inició en el año 2004 la aplicación tecnológica que integra tres subsistemas: GPS, Unidad de Medición Inercial y sensor láser que se utiliza para la colecta de datos de altitud utilizando una plataforma aérea (Figura 1, fuente http://gulfsci.usgs.gov/tampabay/data/1mapping/lidar/).


2

Figura 1. Subsistemas LiDAR

LiDAR es un sensor activo que consta de un telémetro emisor de luz láser y de un espejo que desvía el haz perpendicularmente a la trayectoria del avión, generando una serie de pulsos de luz que al entrar en contacto con los objetos o el terreno refleja al sensor parte de la energía del pulso emitido (Figura 2). Una característica distintiva de los retornos en zonas de vegetación es que éstos se pueden producir a diferentes niveles, siendo posible que el último retorno se produzca al nivel del terreno. Los datos captados con LiDAR permiten generar Modelo Digitales de Elevación (MDE), este método tiene ventajas sobre los métodos fotogramétricos convencionales ya que requiere de mínimo control geodésico en tierra, los datos tienen una mayor densidad y una mayor precisión.

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6

Los MDE generados con la nube de puntos LIDAR son útiles, entre otras aplicaciones para:

• Modelación altimétrica (mapas de pendientes, secciones, desniveles) • Prevención y atención de desastres naturales. • Definición de áreas sujetas a inundación. • Generación de curvas de nivel. • Estudios hidráulicos e hidrológicos; trazo de cauces de agua (Hidrografía) • Diseños de ingeniería civil. • Animaciones dinámicas en 3D.

Conceptos Generales de SIG y de Base de Datos Geoespacial Un SIG consiste en información de naturaleza diversa sobre una determinada área, almacenada en un conjunto de bases de datos tanto gráficas como alfanuméricas, cuya relación con el territorio se realiza a través de un sistema de referencia geográfico y se gestiona a través de uno o varias aplicaciones informáticas, lo anterior soportado por un equipo de cómputo y por personal especializado. Mientras que una Base de datos Geoespacial es un conjunto de datos espaciales que cuentan con un modelo de datos que abstrae la complejidad del mundo real y permite almacenarlos con una representación simplificada (puntos, líneas, polígonos) en un Sistema Manejador de Base de Datos, el cual provee un lenguaje de consulta, soporta tipos de datos espaciales y proporciona mecanismos para realizar operaciones de análisis espacial. Por su parte un Sistema Manejador de Base de Datos (SMBD) consiste en una colección de archivos interrelacionados y un conjunto de programas que permiten a los usuarios acceder y modificar dichos archivos; su propósito principal es proporcionar a esos usuarios una visión abstracta de los datos. La arquitectura de un SMBD se compone de:

• Base de datos (C.J. Date, 2001). La conforma una colección de datos almacenados y utilizados por los sistemas de aplicación de una empresa.

• Hardware. Es un compuesto por volúmenes de almacenamiento secundario donde reside la base de datos junto con dispositivos asociados a su control.

• Software. Proporciona la interface entre los datos de bajo nivel almacenados en la base de datos y los programas de aplicación y consultas hechas al SMBD

• Usuarios. Dado que el objetivo principal de un sistema de base de datos es proporcionar un entorno para recuperar información y almacenar nueva, existen tres tipos de usuarios, dependiendo de la forma en la que interactúan con el sistema.

Tipos de Usuarios Programador de Aplicaciones. Encargados de escribir los programas que utilizan la base de datos en todas las maneras usuales como recuperación de información, creación o introducción de nuevos datos, suprimir o cambiar información existente. Usuario Final. Tienen la función de acceder a la base de datos por medio de una terminal, utiliza un leguaje de consulta o recurre a un programa de aplicación que acepte órdenes y formule solicitudes al SMBD de recuperación, creación o modificación de información. Administrador de Base de datos. Coordina las funciones de recopilación de información acerca de los datos; servicio a los usuarios; protección del recurso llamado datos; control de estructuras de datos y acceso a los mismos.

3. Materiales, datos y métodos


7

3.1. Caso de estudio

Diseño, planeación y control de proyectos asociados al uso y aprovechamiento de la tecnología LiDAR desarrollando e implementando metodologías de trabajo con soporte en herramientas SIG y BDG con el fin de administrar de una manera normalizada, eficiente y eficaz los procedimientos de acopio, tratamiento, generación de productos e integración de datos para su explotación.

3.1.1. Delimitación Espacial

El diseño y aplicación es nacional debido a que son datos de relieve considerados información de interés nacional en el contexto de la Ley del Sistema Nacional de Información Estadística y Geográfica.

3.1.2. Delimitación Temporal

Información LiDAR disponible en el periodo 2004-2010 para su normalización y puesta a disposición para su explotación mediante una base de datos geoespacial.

3.2. Datos

Los datos esenciales del proyecto utilizados fueron capas en formato SHAPE y archivos tabulares, informes de avance de proyectos, así como los formatos de análisis de requerimientos y gráficos de la estructura de la BDG, previos a su diseño e implementación. A continuación se describen los métodos empleados para aprovechamiento de herramientas SIG y BDG:

3.3. Desarrollo

3.3.1. SIG

La tecnología LiDAR aprovecha algunas capacidades de los SIG para la construcción de modelos que representen al mundo real a partir de las bases de datos geográficas, aplicando una serie de funciones específicas (captura, almacenamiento, manipulación, análisis y extracción) que generan más información para su análisis. Las etapas generales del proceso LiDAR desarrolladas con herramientas SIG son la Planeación, el Control de calidad en sitio y el Ajuste de Nube de Puntos (Arellano 2010) y consisten en:

3.3.1.1. Planeación

Con cada requerimiento se genera un proyecto de trabajo, realizándose la planeación de la cobertura a partir de un determinado polígono de interés (INEGI, 2010). Según sea necesario, cada polígono se delimita por división política, región fisiográfica, región costera, entre otros. En primer lugar se cargan las capas de índices cartográficos en las escalas en que se representarán la planeación, el control y los productos entregables. Hasta el año 2010 se aplicó como unidad promedio de planeación un conjunto de cuatro claves cartográficas, en la escala 1:50 000. En algunas partes del territorio nacional las unidades se conforman de dos claves y hasta de seis considerando la delimitación con fronteras internacionales o zonas costeras. Las unidades de planeación toman en cuenta las características tecnológicas de un sistema LiDAR.

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3 Entrevistas con el usuario para aclaración y verificación de requerimientos Replantear el diseño del modelo si es necesario de acuerdo al resultado obtenido de las citas del usuario

4 Elaboración del Modelo definitivo de acuerdo a requerimientos del tema Definición e identificación de usuario para implementación del modelo en software de diseñoVerificar entidades de apoyo para compartir con otros modelos

5 Generar estrategia de carga Generar un plan de carga de acuerdo a la estructura de la información digital y el modelo propuesto Completar el modelo con entidades y relaciones de acuerdo a la estrategia de carga Solicitar la asignación de espacio en BD para carga del modelo (usuario)

6 Implementación del Modelo para Carga Solicitar parámetros de creación de Layers Generación de Script de carga Correr algoritmos automatizados para generar por primera vez - Secuencias - Triggers (procedimiento que se ejecuta cuando se cumple una condición establecida al realizar una operación) - Cargador de catálogos - Creación de Layers Elabora metodología de lanzamiento - Lanzar la herramienta de asignación de usuario para la carga - Bateador de control - Bateador de explotación - Verificar orden de carga

7 Cargar modelo

Se recopilaron archivos digitales con muestras de datos relacionados con las metodologías de trabajo y demás documentación; se analizaron para comprender con detalle la naturaleza de los datos involucrados en el sistema y su interrelación. A partir de lo anterior se generó un diagrama general de actividades donde se identificaron las tres principales etapas del proceso (Planeación, Control de calidad en sitio, Ajuste de datos).

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Para cada uno de estos productos (Tabla 2), se documentó la estructura manejada en los archivos digitales utilizando un formato de descripción de funciones (Figura 13). Como complemento se recolectó información sobre los datos de cada producto, en un formato especial (Figura 14) que incluye la estructura de datos y su descripción (nombre del campo, tipos de dato, longitud, valores permitidos, serie de rangos entre otros).

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5. Discusión y valoración de hallazgos

El uso de SIG para la gestión de datos LiDAR conlleva la optimización de recursos aplicando herramientas de análisis espacial y permitiendo de manera visual contar con el estado de cualquier proyecto, extrayendo información tabular sobre atributos de interés para una mejor toma de decisiones y seguimiento. Por su parte en el modelado de Base de Datos Geoespacial uno de los pasos cruciales en su construcción, es sin duda, su diseño conceptual, ya que si las relaciones entre entidades no son definidas apropiadamente, se puede tener muchos problemas al momento de ejecutar consultas para tratar de obtener algún tipo de información. Independientemente del tamaño de la BDG es importante asegurar su correcto diseño para su manejo y explotación con éxito continuo.

6. Conclusiones

El uso interdisciplinario de los Sistemas de Información Geográfica, la tecnología LiDAR y las Bases de Datos Geoespaciales proporcionan un eficiente manejo de grandes volúmenes de información para la toma correcta de decisiones en la línea de producción que garantizan la adecuada y oportuna respuesta a los requerimientos de usuarios internos y externos. La sinergia en el uso de SIG y BDG para la planeación, operación, control, integración y disposición de datos LiDAR es aplicable tanto en Unidades del Estado como Instituciones Académicas y empresas particulares ya sea que produzcan, usen, integren y exploten la información proveniente de la Percepción Remota Activa. Es evidente que en México y el mundo cada vez tendrá una mayor aceptación y penetración la tecnología LiDAR para el modelado del territorio y su aplicación en la planeación nacional, la prevención y mitigación de desastres naturales, entre muchos aspectos más. Tomando como referencia el éxito en el uso de SIG y BDG se podrán definir y adoptar de manera natural especificaciones mínimas para la normalización e integración de datos de relieve comparables y compartibles y aportarán a la investigación sobre diversos fenómenos en el tiempo sobre el comportamiento del territorio en ámbitos locales, regionales o globales.


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Referencias bibliográficas Arellano Sánchez Javier, 2010: Tesis “Calibración de datos LiDAR”, UNAM-INEGI Arellano Sánchez Javier, 2010: “Metodologías para el procesamiento de datos LiDAR”, 11° Congreso Nacional e Internacional de Ingeniería Topográfica, Geodésica y Geomática, Colegio de Ingenieros Topógrafos, Asociación Civil (CITAC). Zacatecas, México, 2010 Betts Gómez Sandra Yazmín, 2011: Tesis “Gestión de Información LiDAR a través de una Base de Datos Geoespacial como componente base para los Sistemas de Información Geográfica”, UNAM-INEGI Date C.J., 2001: “Introducción a los sistemas de bases de datos”, Pearson Educación. ISBN 968-444-419-2. INEGI, 2010: “Guía para elaborar anteproyectos LiDAR”, Dirección del Marco Geodésico, Aguascalientes, México INEGI, 2010: “Guía para el control de calidad y generación de nubes de puntos LiDAR”, Dirección del Marco Geodésico, Aguascalientes, México INEGI, 2010: “Guía para el ajuste y generación de metadatos de datos LiDAR”, Dirección del Marco Geodésico, Aguascalientes, México


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Tablas

Tabla 1 Etapas del diseño de base de datos LiDAR ........................................................................... 12 Tabla 2 productos por fase ................................................................................................................ 15

Figuras

Figura 1. Subsistemas LiDAR ............................................................................................................... 2 Figura 2. Comportamiento del reflejo de los pulsos LiDAR ................................................................. 3 Figura 3. Proceso de trabajo LiDAR ..................................................................................................... 4 Figura 4. Modelo Digital de Superficie, detalle del Centro de la Ciudad de México ........................... 5 Figura 5. Modelo Digital del Terreno, detalle de la Ciudad de México ............................................... 5 Figura 6. Integración de capas en SIG para planeación de proyectos LiDAR ...................................... 8 Figura 7. Preparación del reporte de Control de Calidad en Sitio ...................................................... 9 Figura 8. Ajustes de datos LiDAR y control de avance en SIG ........................................................... 10 Figura 9. Elaboración de Metadatos con apoyo de SIG .................................................................... 11 Figura 10. IRISWEB para control ejecutivo de proyectos .................................................................. 12 Figura 11. Fragmento del diagrama de actividades de la fase de planeación .................................. 14 Figura 12. Segmento del diagrama de procesos de la fase de planeación ....................................... 15 Figura 13. Plantilla de presentación de productos de la fase de Planeación .................................... 16 Figura 14. Especificaciones de los datos de cada producto .............................................................. 17 Figura 15. Modelo Entidad‐Relación ................................................................................................. 18 Figura 16. Mapa mental del diseño de la Base de Datos LiDAR ........................................................ 19

GESTIÓN DE DATOS LIDAR A TRAVÉS DE SIG Y BASE DE DATOS ... · e de puntos, s); enseguid e reducir...

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