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Topología geoespacial

Ejemplos de relaciones espaciales topológicas.

La topología geoespacial es el estudio y la aplicación de relaciones espaciales cualitativas entre características geográficas , o entre representaciones de dichas características en información geográfica , como en los sistemas de información geográfica (SIG). [1] Por ejemplo, el hecho de que dos regiones se superpongan o que una contenga a la otra son ejemplos de relaciones topológicas. Por lo tanto, es la aplicación de las matemáticas de la topología a los SIG y es distinta, pero complementaria, de muchos aspectos de la información geográfica que se basan en mediciones espaciales cuantitativas a través de la geometría de coordenadas . La topología aparece en muchos aspectos de la ciencia de la información geográfica y la práctica de los SIG, incluido el descubrimiento de relaciones inherentes a través de consultas espaciales , superposición de vectores y álgebra de mapas ; la aplicación de relaciones esperadas como reglas de validación almacenadas en datos geoespaciales; y el uso de relaciones topológicas almacenadas en aplicaciones como el análisis de redes . [2] [3] [4] La topología espacial es la generalización de la topología geoespacial para dominios no geográficos, por ejemplo, software CAD .

Relaciones topológicas

De acuerdo con la definición de topología , una relación topológica entre dos fenómenos geográficos es cualquier relación espacial que no es sensible a aspectos mensurables del espacio, incluidas las transformaciones del espacio (por ejemplo, proyección de mapas ). Por lo tanto, incluye la mayoría de las relaciones espaciales cualitativas, como dos características que son "adyacentes", "superpuestas", "separadas" o una que está "dentro" de otra; por el contrario, una característica que está "a 5 km de" otra, o una característica que está "al norte de" otra son relaciones métricas . Uno de los primeros avances de la ciencia de la información geográfica a principios de la década de 1990 fue el trabajo de Max Egenhofer, Eliseo Clementini, Peter di Felice y otros para desarrollar una teoría concisa de tales relaciones comúnmente llamada modelo de 9 intersecciones , que caracteriza el rango de Relaciones topológicas basadas en las relaciones entre los interiores, exteriores y límites de las características. [5] [6] [7] [8]

Estas relaciones también se pueden clasificar semánticamente:

Estructuras de datos topológicos y validación.

La estructura de datos de cobertura ARC/INFO (1981), un modelo de datos topológicos basado en POLYVRT

La topología fue una de las primeras preocupaciones de los SIG. Los primeros sistemas vectoriales, como el Sistema Canadiense de Información Geográfica , no gestionaban las relaciones topológicas y proliferaron problemas como los polígonos fragmentados, especialmente en operaciones como la superposición de vectores . [9] En respuesta, se desarrollaron modelos de datos vectoriales topológicos , como GBF/DIME (Oficina del Censo de EE. UU., 1967) y POLYVRT ( Universidad de Harvard , 1976). [10] La estrategia del modelo de datos topológicos es almacenar relaciones topológicas (principalmente adyacencia) entre características y utilizar esa información para construir características más complejas. Los nodos (puntos) se crean donde las líneas se cruzan y se les atribuye una lista de líneas de conexión. Los polígonos se construyen a partir de cualquier secuencia de líneas que forme un circuito cerrado. Estas estructuras tenían tres ventajas sobre los datos vectoriales no topológicos (a menudo llamados "datos espagueti"): primero, eran eficientes (un factor crucial dadas las capacidades de almacenamiento y procesamiento de la década de 1970), porque el límite compartido entre dos polígonos adyacentes era sólo almacenado una vez; en segundo lugar, facilitaron la aplicación de la integridad de los datos al prevenir o resaltar errores topológicos , como polígonos superpuestos, nodos colgantes (una línea no conectada adecuadamente a otras líneas) y polígonos fragmentados (pequeños polígonos falsos creados donde dos líneas deberían coincidir pero no lo hacen). ); y tercero, simplificaron los algoritmos para operaciones como la superposición de vectores . [11] Su principal desventaja era su complejidad, siendo difícil de entender para muchos usuarios y requiriendo especial cuidado durante la entrada de datos. Estos se convirtieron en el modelo de datos vectoriales dominante de la década de 1980.

En la década de 1990, la combinación de un almacenamiento más barato y nuevos usuarios que no estaban preocupados por la topología llevó a un resurgimiento de las estructuras de datos espagueti, como el shapefile . Sin embargo, todavía existe la necesidad de relaciones topológicas almacenadas y cumplimiento de la integridad. Un enfoque común en los datos actuales es almacenar una capa extendida encima de los datos que no son inherentemente topológicos. Por ejemplo, la geodatabase de Esri almacena datos vectoriales ("clases de entidades") como datos espagueti, pero puede construir una estructura de conexiones de "conjunto de datos de red" encima de una clase de entidad de línea. La geodatabase también puede almacenar una lista de reglas topológicas, restricciones sobre las relaciones topológicas dentro y entre capas (por ejemplo, los condados no pueden tener espacios, los límites estatales deben coincidir con los límites de los condados, los condados deben cubrir estados colectivamente) que pueden validarse y corregirse. [12] Otros sistemas, como PostGIS , adoptan un enfoque similar. Un enfoque muy diferente es no almacenar información topológica en los datos en absoluto, sino construirla dinámicamente, generalmente durante el proceso de edición, para resaltar y corregir posibles errores; esta es una característica del software SIG como ArcGIS Pro y QGIS . [13]

Topología en análisis espacial.

Varias herramientas de análisis espacial se basan en última instancia en el descubrimiento de relaciones topológicas entre entidades:

Oracle y PostGIS proporcionan operadores topológicos fundamentales que permiten a las aplicaciones probar "relaciones como contiene, dentro, cubre, cubre, toca y se superpone con límites que se cruzan". [14] [15] A diferencia de la documentación de PostGIS, la documentación de Oracle establece una distinción entre "relaciones topológicas [que] permanecen constantes cuando el espacio de coordenadas se deforma, como por torsión o estiramiento" y "relaciones que no son topológicas [que] incluya la longitud de, la distancia entre y el área de." Las aplicaciones aprovechan estos operadores para garantizar que los conjuntos de datos se almacenen y procesen de forma topológicamente correcta. Sin embargo, los operadores topológicos son inherentemente complejos y su implementación requiere que se tenga cuidado con la usabilidad y el cumplimiento de los estándares. [dieciséis]

Ver también

Referencias

  1. ^ "Topología - Wiki SIG | La enciclopedia SIG". wiki.gis.com . Consultado el 2 de febrero de 2021 .
  2. ^ Libro blanco de ESRI Topología SIG "Topología SIG". ESRI. 2005 . Consultado el 25 de noviembre de 2011 .
  3. ^ Introducción suave a SIG "7. Topología - Documentación de documentación QGIS". docs.qgis.org . Consultado el 2 de febrero de 2021 .
  4. ^ Úbeda, Thierry; Egenhofer, Max J. (1997). "Corrección de errores topológicos en SIG". Avances en Bases de Datos Espaciales . Apuntes de conferencias sobre informática. vol. 1262, págs. 281–297. doi :10.1007/3-540-63238-7_35. ISBN 978-3-540-63238-2.
  5. ^ Egenhofer, MJ; Franzosa, RD (1991). "Relaciones espaciales topológicas de conjuntos de puntos". En t. J. SIG . 5 (2): 161–174. doi : 10.1080/02693799108927841 .
  6. ^ Egenhofer, MJ; Arenque, JR (1990). "Un marco matemático para la definición de relaciones topológicas" (PDF) . En Brassel, K.; Kishimoto, H. (eds.). Actas del cuarto Simposio Internacional sobre DSS (Resumen ampliado). págs. 803–813. Archivado desde el original (PDF) el 14 de junio de 2010.
  7. ^ Clementini, Eliseo; Di Felice, Paolino; van Oosterom, Peter (1993). "Un pequeño conjunto de relaciones topológicas formales adecuadas para la interacción del usuario final". En Abel, David; Ooi, Beng Chin (eds.). Avances en bases de datos espaciales: Tercer simposio internacional, SSD '93 Singapur, 23 al 25 de junio de 1993 Actas. Apuntes de conferencias sobre informática. vol. 692/1993. Saltador. págs. 277–295. doi :10.1007/3-540-56869-7_16. ISBN 978-3-540-56869-8.
  8. ^ Clementini, Eliseo; Sharma, Jayant; Egenhofer, Max J. (1994). "Modelado de relaciones espaciales topológicas: estrategias para el procesamiento de consultas". Computadoras y gráficos . 18 (6): 815–822. doi :10.1016/0097-8493(94)90007-8.
  9. ^ Goodchild, Michael F. (1977). "Aspectos estadísticos del problema de la superposición de polígonos". En Dutton, Geoffrey (ed.). Artículos de Harvard sobre sistemas de información geográfica: primer simposio internacional sobre estructuras de datos para sistemas de información geográfica . vol. 6: Algoritmos espaciales. Universidad Harvard.
  10. ^ Cooke, Donald F. (1998). "Topología y TIGRE: la contribución de la Oficina del Censo". En Foresman, Timothy W. (ed.). La historia de los sistemas de información geográfica: perspectivas de los pioneros . Prentice Hall. págs. 47–57.
  11. ^ Peucker, Thomas K.; Chrisman, Nicolás (1975). "Estructuras de datos cartográficos". El cartógrafo americano . 2 (1): 55–69. doi :10.1559/152304075784447289.
  12. ^ "Topología de geodatabase". Documentación de ArcGIS Pro . Consultado el 6 de enero de 2022 .
  13. ^ "Comprobaciones de topología". Documentación QGIS 3.16 . OSGEO . Consultado el 6 de enero de 2022 .
  14. ^ Oráculo (2003). "Descripción general del modelo de datos topológicos". Oracle 10g N.º de pieza B10828-01 . Oráculo . Consultado el 25 de noviembre de 2011 .
  15. ^ "Funciones de relación geométrica". Refractions Research Inc. Archivado desde el original el 6 de octubre de 2018 . Consultado el 25 de noviembre de 2011 .
  16. ^ Riedemann, Catharina (2004). "Hacia operadores topológicos utilizables en interfaces de usuario SIG" (PDF) . En Toppen, F.; P. Prastacos (eds.). Actas de 2004: Séptima Conferencia AGILE sobre ciencia de la información geográfica . págs. 669–674. Archivado desde el original (PDF) el 13 de enero de 2017 . Consultado el 11 de enero de 2017 .