Utilidad de las Herramientas SIG en Procesos de Generalización Cartográfica

Generalización Automatizada de Puntos de Cota.

El problema actual de la cartografía temática excursionista es que no existe una normativa cartográfica bien definida, debido sobre todo a la gran cantidad de fenómenos temáticos que se pueden cartografiar y la variedad de formas de representación y requisitos necesarios dependientes de los distintos objetivos que se persigan (motivaciones, uso del mapa, zona de representación, formatos, escalas, etc.). A ello se añade la dificultad para disponer, hasta hace relativamente poco tiempo, de la cartografía base en formato digital así como el que la mayoría de las entidades que se dedican a la generación de mapas de este tipo son de carácter privado y no suelen estar conectadas con los flujos de producción de entidades cartográficas públicas, que al menos, hasta ahora, son las que tienen más experiencia en estos procesos (Iribas, 2000). Estas dificultades hacen que frecuentemente existan incorrecciones cartográficas y concepciones globales erróneas o poco acertadas y que se desaproveche el potencial comunicador del mapa.

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Determinación de collados

El proceso de generalización, tanto en su fase de selección o rechazo de elementos, como en la simplificación de estos, lleva sujeto una gran cantidad de tomas de decisión que se han de supeditar al objetivo y escala del mapa final (Buttendfield et al., 1991). Ello ha conducido a considerar el proceso de generalización como un proceso de difícil automatización (Baella y Pla, 1999). Sin embargo, como se verá en el siguiente trabajo, el proceso puede automatizarse mejorando la capacidad de toma de decisiones, sin hacer perder al cartógrafo la posibilidad de fijar distintos criterios interdependientes.
En realidad, la generalización se debería aplicar siguiendo criterios tanto cualitativos como cuantitativos, pero siempre debe hacerse de forma global, es decir, teniendo en cuenta todos los elementos en su conjunto, ya que la modificación de uno de ellos puede afectar a otros. En este sentido, es clara la utilidad de las potencialidades de los SIG en la ayuda a la automatización de las tareas de generalización, debido sobre todo a la gestión desde una base de datos de los atributos temáticos de los objetos geográficos y a las capacidades de manejo de las relaciones topológicas existentes entre dichos objetos (Müller et al., 1995; Palomar, 2001), lo que posibilita la aplicación de una generalización con un mayor grado de automatización y una menor componente subjetiva.
En el presente trabajo se pretenden mostrar las ventajas del uso de las capacidades de análisis de los SIG en la generalización cartográfica. Para ello se presenta una metodología para la generalización de los puntos de cota, enfocada hacia la generación de mapas excursionistas, lo que determina unos criterios de selección dados. La propuesta metodológica está basada fundamentalmente en la aplicación de criterios de selección en función de parámetros objetivables, como son la cercanía a elementos de interés o la caracterización geomorfométrica del entorno inmediato de cada punto, todo ello desde el análisis de la información asociada a cada elemento y del estudio del MDE. Como se verá más adelante, estos criterios son de difícil aplicación mediante métodos tradicionales, siendo relativamente sencillos de establecer utilizando las capacidades de los SIG.

2. Establecimiento de los criterios de selección.

El proceso de selección de los puntos de cota que han de permanecer en el mapa, debe atender a una organización de carácter jerárquico que clasifique, en primera instancia, a los puntos candidatos según la aplicación de los diferentes criterios que se yuxtaponen para que un punto acotado deba o no aparecer en el mapa excursionista.
Los criterios se pueden obtener tras el análisis de las necesidades del usuario final de este tipo de mapas sobre el elemento punto de cota en concreto: ¿de qué le sirve un punto de cota a un excursionista?, ¿qué precisión debe mostrar?, ¿dónde deben aparecer?, etc. Las respuestas razonables a estas cuestiones son que los puntos de cota serán más útiles en las zonas cercanas a las rutas excursionistas, puntos señeros y elementos de referencia que ayudarán a orientarse al usurario.
Así mismo, la precisión de la información de las cotas debe ser la necesaria para el objetivo del mapa (orientar sobre la altitud aproximada del lugar), por lo que se pueden suprimir los decimales, con lo que se libera espacio en el mapa. Por último, la densidad de puntos acotados tenderá a ser mayor en las zonas elevadas que en las llanas, ya que la mayoría de los itinerarios excursionistas transcurrirán por estas zonas y en general, al excursionista, le interesa más saber las cotas de las cumbres que de las zonas intermedias o bajas.
Basándose en estos razonamientos se pueden concretar los siguientes criterios de selección:

Selección de puntos por criterios de cercanía a zonas de especial interés:

  • Puntos situados en áreas inmediatas a zonas habitadas o edificadas (el usuario puede querer conocer de forma rápida la cota de un pueblo).

  • Puntos ubicados en localizaciones estratégicas dentro del entramado de la red de comunicación y rutas excursionistas existentes, especialmente en lugares singulares de paso (puentes, cruces de caminos, puertos de montaña etc).

  • Puntos de cota cercanos a lugares con topónimos de denominación geográfica genérica (peña, morro, tossal, etc.), por ser potenciales focos de atractivo del territorio.

  • Puntos de cota pertenecientes a vértices geodésicos, no tanto por su inherente valor métrico y geodésico, sino más por las especiales características de visibilidad panorámica que suelen ofrecer.

  • Puntos cercanos a áreas de interés especial (entornos geomorfológicos relevantes,
    construcciones singulares, ruinas, etc.).

2. Selección de puntos geomorfométricamente singulares: picos, collados y hoyas.
  • Los picos son siempre altos (mayores o menores) y por lo tanto, referentes visuales desde lugares alejados. Así mismo, suelen ser puntos con panorámicas más amplias que el resto de zonas. Por todo ello, son lugares interesantes desde la perspectiva del excursionista y por ello, candidatos a mantener la notación de punto de cota. Sin embargo, no todos los picos tendrán el mismo nivel de interés o atracción, manteniéndose sólo aquellos más señeros respecto a otros picos cercanos.

  • Los collados suelen representar buenos pasos entre zonas más altas. Su interés para el
    excursionista es obvio, ya que puede ayudar a seleccionar rutas alternativas.
  • Las hoyas o depresiones son espacios singulares y poco habituales, por lo que en sí, les otorga interés, ya que suponen una singularidad en el paisaje
3. Propuesta metodológica.

El proceso metodológico, descrito gráficamente en la figura 1, se ha diseñado para realizar un mapa excursionista a escala 1:20.000 a partir de cuatro hojas del mapa topográfico 1:10.000 (ICV10) del Instituto Geográfico Valenciano. Este proceso pasa por las siguientes fases: (1) en primer lugar se aplicará un filtrado mediante el cual se capturarán todos aquellos puntos que se consideren de interés según el primer conjunto de criterios de selección vistos en el punto anterior; (2) en segundo lugar, sobre los puntos restantes, se aplicarán criterios de clasificación en función de la caracterización geomorfométrica del entorno de dichos puntos, ayudándonos del MDE y de una serie de parámetros métricos que caracterizarán en forma y magnitud cada punto; (3) en tercer lugar, se aplicará un nuevo filtro que tendrá en cuenta la cercanía entre los distintos puntos, la zona de altitudes en la que se encuentran y la importancia relativa de cada punto, de forma que la densidad y calidad de los puntos aumente según aumenta la altitud; (4) en último lugar se someterá a los puntos de cota que superen los tres filtros anteriores a una última criba destinada a evitar los solapamientos derivados de la competición de los elementos cartográficos por un espacio más reducido debido al cambio de escala.

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Figura 1. Esquema de propuesta metodológica.
3.1. Selección de los puntos de interés.

En esta fase se realiza una selección y una clasificación de todos los puntos de cota que puede ser interesante retener desde el punto de vista del primer grupo de criterios que vimos en el apartado segundo. Estos criterios nunca pierden de vista el objetivo final del mapa, que no es otro que el de representar una información útil y práctica para el excursionista que va a discurrir por el territorio que se le presenta.
De esta forma, podemos realizar una clasificación de dichos criterios en criterios con alto y bajo grado de automatización. Entre los primeros se encontrarían los que están basados en atributos almacenados en bases de datos y relaciones topológicas (por ejemplo puntos situados “cerca” de las vías de comunicación). En el segundo grupo de criterios se encontrarían aquellos que necesitan de información adicional sobre la zona de estudio y que dependen en gran medida del conocimiento que el operador tenga sobre la realidad del territorio (puntos situados en zonas de especial interés natural por ejemplo).
Independientemente del tipo de criterios, podemos utilizar algunos de los operadores de análisis espacial disponibles en los SIG para llevar a cabo la automatización de las tareas de selección de esta fase: así, por ejemplo, para los criterios de cercanía podemos emplear una combinación de operaciones en las que intervenga el operador buffer o zona de influencia y la relación topológica de inclusión para ver qué puntos de cota se encuentran cercanos a elementos de interés.

3.2. Caracterización geomorfométrica.

En esta fase se toman los puntos que no han sido retenidos en la anterior fase y se los somete a un análisis para determinar qué puntos son picos, collados u hoyas. Posteriormente se analiza su magnitud y finalmente, sobre los picos, se aplican operaciones para categorizar los mismos en tres clases de formas: picudas, acantiladas y suaves. Esto último tiene por objetivo poder dar más importancia a picos que aún siendo de una magnitud menor, tengan formas características, de manera que sean retenidos.

3.2.1. Tratamiento previo de la información.

Partimos del MDE, que ha de ser lo más preciso posible. Éste se generará a partir de la propia cartografía que se va a generalizar, utilizando todos los datos altimétricos significativos disponibles (puntos de cota, curvas de nivel y líneas de rotura, representadas por la red hidrográfica, vaguadas y divisorias). Con estos elementos podemos generar un MDE en formato vectorial mediante triangulación, obteniendo un modelo TIN del terreno. En principio se puede trabajar con el MDE tanto en formato vectorial, como en formato raster, aunque éste último formato, tiene algunos inconvenientes para los propósitos de generalización de puntos de cota: (i) no conserva la cota original de los puntos de cota, ya que es generado mediante métodos de interpolación y (ii) consume más tiempo computacional el trabajar con este formato. Por lo tanto, es preferible trabajar con el formato TIN.

3.2.2. Determinación de picos, hoyas y collados.

Esta fase es la más costosa, ya que se debe determinar cuáles de los puntos de cota introducidos por el operador son puntos geomorfológicamente caracterizables como puntos singulares del terreno. Esto se materializa en el análisis y clasificación de los puntos de cota en función de tres tipos de morfologías básicas: puntos de cumbre (picos), puntos de depresión (hoyas) y puntos de paso (collados). Existen metodologías y software actual que a partir de un modelo raster altitudinal detectan puntos de estas características (Felicísimo, 1994 y 2002; Wood, 1999, con su programa LandSerf). Todos estos sistemas y metodologías se basan en el análisis de variables topográficas como la pendiente y curvaturas del terreno, analizado estas variables siempre en un entorno finito determinado por el operador.
El método aquí utilizado sigue una filosofía parecida: se analiza la información por entornos determinados, con la ventaja de que no se han de analizar infinidad de puntos, sino sólo los puntos de cota que se tratan de seleccionar.

a) Puntos de cumbre.
El procedimiento para seleccionar los puntos de cota que se consideran de cumbre (a partir de ahora serán llamados picos de forma genérica), es sencillo en cuanto a su concepto: se realiza un estudio por contornos circulares múltiples sobre cada uno de los puntos de cota y se ve en qué rango de estos contornos es cada uno de los puntos un máximo relativo de la zona. Esto quiere decir que para un punto de cota determinado se toma un entorno (Ei) y se analiza dicho entorno, si el punto es máximo (tiene la mayor cota) en todo el entorno, el punto es un pico en dicho entorno (Ei). Posteriormente el entorno se incrementa (Ei+1) y se vuelve a realizar el análisis sobre el mismo punto. Este análisis va a determinar hasta qué entorno son considerados como picos y qué clasificación de importancia jerárquica existe entre dichos picos, clasificándolos como elevaciones de mayor magnitud conforme el entorno es mayor (figura 2).

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Figura 2. Análisis por entornos.

b) Puntos de depresión.
En este caso, interesan depresiones grandes, por lo que se puede actuar de la misma manera que en el análisis por contornos para el cálculo de picos. Esta vez se tomará un entorno suficientemente amplio como para evitar microdepresiones, y se analizará cada punto, viendo si es el de mínima cota de su entorno.
c) Puntos de paso.
Los puntos de paso (collados a partir de ahora), son las estructuras más complicadas de detectar, puesto que si para los picos o las depresiones bastaba con comparar la cota de estos puntos con las de su entorno más cercano, en este caso se deben de cumplir unas características concretas de tendencias hacia el ascenso o descenso de cota y de direcciones entre estas tendencias. Estos puntos son importantes para la cartografía excursionista, puesto que permiten un acceso más fácil a las cumbres o actúan de puntos de paso entre vertientes de un macizo, por lo cual es necesario su permanencia en los mapas de este tipo.
Para su determinación se ha elegido de nuevo el análisis por entornos circulares (figura 3), estudiando los máximos y mínimos relativos del perfil topográfico resultante para determinar si el punto seleccionado es un collado potencial (2 máximos y 2 mínimos).

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Figura 3. Determinación de collados.
3.2.3. Determinación de las dimensiones y formas de los picos.

Hasta este momento, se es capaz de clasificar los picos en función de su magnitud, pero se desconocen sus características morfológicas individuales. Si además de saber que un pico es el más alto de un entorno dado, se sabe si tiene forma cónica centrada, es de tipo acantilado o es poco elevado respecto de su entrono, se disponen de más criterios a la hora de decidir si dicho pico debe permanecer o puede ser eliminado.
A partir, de estas ideas, se han desarrollado una serie de procedimientos para parametrizar distintos aspectos de la forma y dimensiones del entorno de cada pico. Se parte del análisis del entorno del punto de cota, pero ahora, no vamos a utilizar un entorno circular, sino el área definida por una curva de nivel que englobe al punto. Para asegurar entornos pequeños, se puede realizar una restricción por superficie del área englobada por la curva de nivel.
Los aspectos estudiados para diseñar la caracterización geomorfométrica del entorno de cada pico son los siguientes:

1. Diferencia de cota: definido como la cota del pico menos la cota de la curva de nivel.

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Figura 4. Diferencia de cota.

2. Centrado: mide lo centrado que esta el pico respecto del centroide de la curva de nivel. Se medirá en (%) mediante el porcentaje de la distancia del punto al centroide (d) respecto de (D), diagonal del mínimo rectángulo encuadrante (MRE).

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Figura 5. Centrado.

3. Cercanía al borde de la curva: complementario del centrado, delata las formas acantiladas de las masas montañosas. Se mide mediante el porcentaje de reducción de área de la curva de nivel que pasa por el punto respecto al área de la curva de nivel patrón (a/A).

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Figura 6. Cercanía al borde.

4. Dimensión máxima y mínima: la dimensión máxima (D), será la máxima separación entre dos puntos pertenecientes al borde de la curva y la dimensión mínima (d), será la mínima dimensión del MRE que englobe a la curva con una orientación igual al acimut de la dimensión máxima.
Mediante estos parámetros se obtiene una idea de la orientación y forma (alargada, circular) de la curva.

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Figura 7. Dimensiones máxima y mínima.

5. Pendiente media: media de las pendientes de las rectas que unen el pico con cada uno de los puntos de la curva. Cada una de estas rectas se sectoriza en tres tramos para considerar cambios de pendiente intermedios. Este parámetro denotará formas picudas o romas según las pendientes sean fuertes o débiles.

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Figura 8. Pendiente media.

6. Homogeneidad: medida de la desviación típica de la media de las pendientes normalizada mediante el coeficiente de variación para comparar la dispersión de varias muestras. Una dispersión pequeña nos indicará pendientes con valores similares en todo el entorno del punto de cota.
Finalmente, para definir las formas se emplean los siguientes parámetros y sus medidas, clasificándose de la siguiente forma (tabla 1).

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Tabla 1. Parámetros geomorfométricos.

De esta forma, las formas características buscadas en los picos, se han estructurado de la siguiente forma:
a) formas picudas:
1. Deben tener un centrado alto o una tendencia al centrado (<30%).
2. Deben tener una pendiente media fuerte (>11.5º).
3. Deben tener una homogeneidad o tendencia a la homogeneidad de pendiente (<30%).

b) formas acantiladas:
1. Deben ser descentrados o muy descentrados (>30%).
2. Deben tener una pendiente máxima muy fuerte (>26.5º).
3. Generalmente serán poco o nada homogéneos (>30%).

3.3. Disminución de la densidad.

Llegados a este paso, todos los puntos de cota están clasificados según algún tipo de criterio de los ya vistos. De esta manera, se pueden ordenar según su importancia relativa, lo cual nos ayudará en la selección de los que deben permanecer.
Debido al cambio de escala (de 1:10.000 a 1:20.000 en nuestro caso), es necesario una reducción de la información altimétrica, respetando aquellos puntos de cota que aporten mayor significación al mapa final. Ello se consigue mediante una eliminación selectiva por entornos, en los cuales se eliminan siempre los puntos de menor importancia relativa de los que se encuentran en el entorno de búsqueda. Por otra parte, se tendrá en cuenta la distribución de alturas del MDE, de tal forma que se eliminará progresivamente, un menor porcentaje de puntos a medida que la altitud se incrementa.
El criterio para determinar la jerarquía de importancia entre los puntos es el siguiente: de mayor a menor importancia tendremos puntos de interés, picos, collados, hoyas y resto de puntos.
Dentro de los puntos de interés la organización jerárquica será: vértices geodésicos, cotas en cruces de vías de comunicación, cotas en núcleos urbanos, cotas cercanas a vías de comunicación, cotas cercanas a topónimos, y cotas cercanas a zonas de interés especial (esta categoría puede variar en importancia según criterios propios del operador).
En el caso de coincidir elementos del mismo tipo, será de mayor categoría aquél que mayor clase o magnitud tenga y si estas coinciden, se tomará aquél que mayor cota tenga.

3.4. Eliminación de conflictos por solapamiento.

Finalmente, se somete a los puntos retenidos a una última criba que controlará que no se produzca ningún conflicto visual entre dichos puntos, de forma que se estudiará todo par de puntos que tenga a algún otro a una distancia menor de un umbral determinado (normalmente el límite de percepción visual). En caso de conflicto, se actuará como en la fase previa, es decir, eliminando el punto de menor categoría.

4. Ejemplo de aplicación.

Para llevar a cabo un ejemplo de aplicación se han tomado cuatro hojas pertenecientes a la serie ICV10 del Instituto Geográfico Valenciano a escala 1:10.000 (Cabezudo et al., 2000) que engloban el área geográfica de La Serrella (Alicante), con un número inicial de 993 puntos de cota.
El objetivo es realizar la unión de las cuatro hojas y obtener una única hoja a escala 1:20.000 sobre la que se deben realizar entre otras tareas, la generalización de los puntos de cota. Para el desarrollo de la aplicación se ha trabajado sobre el entorno ArcView 3.2.
Los datos de aplicación y los resultados se pueden ver en esta tabla así como en las siguientes figuras:


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Tabla 2. Ejemplo de aplicación de la metodología


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Figura 9. a) Puntos de cota iniciales; b) puntos de cota generalizados.

5. Conclusiones

A la vista de la metodología, resultan claras las siguientes conclusiones:

    1. Se demuestra la potencialidad de los SIG para la automatización de procesos cartográficos complejos, como la generalización. La metodología presentada se muestra eficaz en el proceso de selección automatizada de puntos de cota y supone un avance en relación al método tradicional.

    2. Este tipo de aplicaciones ayudan a la generación de cartografía temática excursionista, integrando al operador en un proceso de producción más riguroso y sobre todo liberando una parte de la componente subjetiva.
    3. Los métodos geomorfométricos propuestos se muestran de gran ayuda, no sólo para la selección de puntos de cota, sino también en la caracterización de formas del terreno que puede ser utilizada en otros análisis geomorfológicos.
    4. El trabajo con MDE en formato vectorial supone, para estos propósitos, la no pérdida de datos altimétricos originales y además una simplificación en el tratamiento de la información, lo que redunda en una mayor rapidez del proceso.
6. Bibliografía

Baella, B.; Pla, M.(1999): Eines de Generalització Automàtica utilitzades a l’Institut Cartogràfic de Catalunya. Actas del Congreso ICA. pp. 54-62

Buttendfielf, Barbara P.; McMaster, Robert B. (1991): Map generalization. Making rules for knowledge representation, Longman Scientific & Technical, 244 pp.

Cabezudo de la Muela, L.; Porres de la Haza, M.J.; Rubio Soler, M.(2000): La serie CV10 del Instituto Cartográfico Valenciano. VII Congreso Nacional de Cartografía (TOPCAR 2000). pp. 52-57

Fuente:

Jesús Palomar Vásquez – Josep Pardo Pascual (Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodesia y Fotogrametría. Universidad Politécnica de Valencia)

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