Los sistemas de información geográfica y su aplicación en enlaces de comunicaciones (PDF)

Científica ISSN: 1665-0654 [email protected] Instituto Politécn...

Científica ISSN: 1665-0654 [email protected] Instituto Politécnico Nacional México Sosa-Pedroza, Jorge; Martínez-Zúñiga, Fabiola Los sistemas de información geográfica y su aplicación en enlaces de comunicaciones Científica, vol. 13, núm. 1, enero-marzo, 2009, pp. 27-34 Instituto Politécnico Nacional Distrito Federal, México Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=61412184005 Cómo citar el artículo Número completo Sistema de Información Científica Más información del artículo Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Página de la revista en redalyc.org Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto  Científica Vol. 13 Núm. 1 pp. 27-34 © 2009 ESIME-IPN. ISSN 1665-0654. Impreso en México Los sistemas de información geográfica y su aplicación en enlaces de comunicaciones the design of communication links, finishing with an Jorge Sosa-Pedroza application example. Fabiola Martínez-Zúñiga Key words: sistemas de información geográfica, enlaces de Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, comunicaciones terrestres, bases digitales de terreno. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Instituto Politécnico Nacional. 3. Introducción Unidad Profesional "Adolfo López Mateos" Edif. Z4, 3er. piso, Col. Lindavista, México DF. Los sistemas de información geográfica tienen aplicaciones MÉXICO. tales como: descripción del terreno en función de coordenadas espaciales, caracterización de asentamientos humanos, correo electrónico: [email protected] definición de uso de suelo, diseño de mapas de riesgo [email protected] específico, y muchas otras. En telecomunicaciones los sistemas de información geográfica se usan en el diseño de enlaces, a partir de ellos, frente a una computadora, se puede Recibido el 30 de abril de 2008; aceptado el 3 de octubre de 2008. definir la línea de vista del enlace o la presencia de obstáculos en el terreno y la búsqueda de alternativas que lo hagan viable. 1. Resumen En una ciudad, en enlaces punto a punto o de radiodifusión, los edificios representan obstáculos que deben ser En el campo de la prospección terrena, los sistemas de considerados en el cálculo de atenuación debido a los efectos información geográfica (SIG) como herramienta computacional, de reflexión, difracción y refracción, por lo que se requiere se usan en diversas aplicaciones; los sistemas de contar con información de alturas, localización, materiales de comunicaciones no son la excepción, ya que organizan construcción, etc. Por otro lado los perfiles de terreno deben digitalmente los tipos diferentes de terreno, sus elevaciones, igualmente ser considerados, además de los ya comunes sobre distribución y altura de edificios sobre las ciudades y otras lluvia, neblina, nieve, etc., que afectan la propagación. Con características, haciéndola ideal en el cálculo de enlaces punto los sistemas actuales de cómputo, especialmente los sistemas a punto o radiodifusión. Se presenta en este trabajo una de información geográfica (SIG), es posible, mediante bases descripción general de los SIG y se propone una metodología de datos previamente obtenidas, visualizar todos los efectos para enlaces de comunicaciones para terminar con el desarrollo presentes en el cálculo de un enlace de comunicaciones, de un ejemplo de aplicación. usando superposición de mapas individuales que describen por separado e individualmente cada fenómeno. Palabras clave: sistemas de información geográfica, enlaces de comunicaciones terrestres, bases digitales de terreno. Este trabajo establece una metodología que emplea los sistemas de información geográfica para el diseño de sistemas 2. Abstract (Geographic Information Systems and its de comunicaciones utilizando las bases de datos necesarias, Application in Communication Links) tales como: características de espacio libre, perfiles de terreno, presencia de obstáculos y su composición, etc.; en las The Geographic Information Systems (GIS) are widely used ciudades la altura y posición geográfica de edificios, así como as a computational tool, for terrain prospection and their la caracterización media de materiales de construcción, el applications have reached the Communication Systems, its régimen de uso de suelo y otros datos. La propuesta está feasibility to digitally organize terrain elevations, height and fundamentada en las bases digitales de terreno (BDT) que distribution of city buildings and other characteristics, make sistematizan el análisis y diseño de enlaces de comunicaciones. the GIS an important tool in the design of point to point or Como ejemplo se presenta el diseño de un enlace de broadcasting communication links. This paper presents a comunicaciones usando BDT de la ciudad de México. Es general description of the GIS, proposing a methodology for deseable que la metodología y su aplicación que se presentan  Científica en este artículo, sirvan de referencia para aquellos interesados en diseñar enlaces de comunicaciones. 4. Desarrollo 4.1 Modelos digitales del terreno Los modelos digitales de terreno (MDT) han nacido y desarrollado al amparo de las tecnologías de cómputo , se definen como un conjunto de datos numéricos que describe la distribución espacial de una característica del territorio que cumplen con dos condiciones suplementarias : 1. Debe existir una estructura interna que represente las relaciones espaciales entre los datos, y 2. La variable representada en el modelo debe ser cuantitativa y de distribución continua. Fig. 1. Vista de las capas de un SIG. Puede entonces considerarse que un MDT es una estructura numérica de datos que representa la distribución espacial de una variable cuantitativa y continúa [3,4]. Tierra o también para visualizar de forma general un espacio de acuerdo al contenido de base de datos digital. David Rhind Un papel importante en los MDT lo juega el modelo digital de define más simplemente a las SIG como un "sistema de elevaciones (MDE) que describe la altimetría de una zona computación" para comprobar, integrar y analizar información mediante un conjunto de datos acotados; a partir de la relacionada con la superficie de la Tierra". El software es información contenida explícita o implícitamente en el MDE, importante en el manejo de la información, pero lo es más en la es posible construir un conjunto de modelos derivados más comprensión del funcionamiento del subsistema natural para sencillos que reflejan características morfológicas tales como el manejo eficiente de la información y de los mapas asociados. pendientes y orientación. Por otro lado, incorporando El SIG colecta, comprueba, analiza e integra innumerables tipos información auxiliar se pueden elaborar otros modelos más de operaciones, conjuntadas en subsistemas según las complejos, utilizando tanto la descripción morfológica del aplicaciones, tales como: terreno como simulaciones numéricas de procesos físicos. Los 1. Entrada de datos de varios orígenes, colectados y MDT descritos arriba son esencialmente modelos estáticos procesados como datos espaciales. (en los que las propiedades representadas permanecen con 2. Almacenamiento de datos que permita recuperar, editar y valores inmutables), pero su naturaleza digital permite actualizar la información. utilizarlos para realizar procesos de simulación dinámica con 3. Análisis, manipulación, presentación de tareas, manejo de cierta facilidad. datos adicionales, parámetros estimados, contrastes entre subsistemas y presentación de funciones modeladas. Es claro que los MDT, como herramienta básica, son de gran 4. Despliegue de todo o parte de la base de datos en forma de utilidad en el diseño de sistemas radioeléctricos; sin embargo, gráficos, tablas o mapas. tanto su uso como el desarrollo de sus aplicaciones aún no ha sido adoptado de forma general por los equipos de trabajo Todos los subsistemas interactúan entre sí gracias a que los debido a que el software que se requiere para manejar la gran SIG están completamente automatizados, lo que permite la cantidad de información que contienen los mapas, así como evaluación completa del sistema. La figura 1 muestra una vista su superposición, es muy caro. de las capas de un SIG. 4.2 Sistemas de información geográfica En particular, para la construcción de mapas, se aplica la siguiente metodología: Aunque no existe una definición absoluta para los sistemas. Colección de datos: fotos aéreas o satelitales e información de información geográfica (SIG), puede decirse que son un previamente obtenida. conjunto de herramientas que permiten el procesamiento de. Procesamiento de datos: clasificación, bajas, altas, análisis información de datos de tipo espacial usados para tomar y procesos iterativos. decisiones acerca de cierto espacio o área específica de la  Científica contienen datos geocodificados representando elementos no naturales almacenados en una BDD no terrestre, como los sistemas de información de censos, que recolectan información de la población sobre determinada área, mostrando actividades económicas para aplicaciones específicas; el SIG muestra la información de terreno y lo que está sobre él, como indica la figura 3. Otro ejemplo de sistemas no terrestres es el que se refiere a la evaluación de un hábitat, como bosques, flora, fauna, contaminación, para administración e investigación científica, como muestra la figura 4. Debido a que los SIG describen el área de análisis con mucha precisión, se usan para el análisis e investigación de Fig. 2. Organización de un sistema de información. características específicas de la Tierra. La tecnología SIG ofrece enormes posibilidades para análisis simples o sofisticados, siendo una poderosa herramienta para caracterizar, de modo. Elaboración preliminar de mapas: en algunas ocasiones un preciso, un terreno específico. El desarrollo futuro de los SIG mapa preliminar es usado para obtener otros mapas, parece no tener límite. dependiendo del número de capas utilizadas.. Extracción y elaboración final del mapa. 4.3 Diseño de la base de datos En general un sistema de información contiene datos espaciales El diseño de la base de datos, comprende tres etapas: y no espaciales; los SIG trabajan con datos espaciales, mientras. Diseño conceptual. Aquí se identifican los requerimientos de que la información no espacial trata de porciones del espacio información y los datos disponibles relacionados con ellos, que no poseen ningún tipo de geocódigo, pero deben ser que a su vez generan un modelo conceptual y una definición consideradas ya que forman parte del sistema. Los datos clara para el usuario en relación con la aplicación. espaciales, se subdividen en geográficos y no geográficos,. Diseño lógico. Consiste en la concepción general del sistema, como muestra el diagrama de la figura 2. mediante la integración de los modelos particulares para generar un modelo global de información, lo que permitirá En el diagrama se observa que los datos espaciales se eliminar redundancias y optimizar el esquema formal de la subdividen en geográficos y no geográficos. Los primeros se base de datos (modelo lógico). enfocan a información natural del terreno y se almacenan en. Modelo físico. Representa la última etapa, consiste en el una base digital de datos (BDD) terrestres, como elevaciones y características de terreno, mientras que los segundos desarrollo computacional de la base de datos (diseño de registros, archivos, métodos de acceso, restricciones de seguridad, etc.). El propio diseño determina las dimensiones del equipo tales Industrial Agricultura Parques Claro Bosque Comercial Tundra Arbustos Residencial Arbustos Urbana Rural Agua Fig. 3. SIG sobre censos. Fig. 4. Administraión de un hábitat.  Científica Fig. 5. Modelo digital de elevación (MDE). como características de memoria, velocidad de procesamiento, etc., por lo que el modelo físico puede rediseñarse en función del equipo disponible. Fig. 7. A) Aproximación raster. B) Aproximación vectorial. Las etapas descritas son dinámicas, ya que los modelos deben sujetarse a revisión y actualización constantes debido, entre y geométricos y consultas de las bases de datos, generando otros factores, a: un SIG a partir de las propias necesidades.. Evolución de las necesidades internas y externas de la información. Los datos se clasifican de acuerdo a su naturaleza en tres tipos:. Especificaciones más detalladas de los datos.. raster. Nuevos equipos y herramientas computacionales.. vectorial. alfanumérico El diseño conceptual de bases de datos geográficos se inicia con la revisión del contenido de los productos tradicionales de La información raster se presenta como imagen, tal como información (cartas, reportes, estudios). La revisión permite imágenes satelitales o modelos de elevación con una división analizar en toda su extensión los contenidos detectando cartográfica como muestran las figuras 5 y 6. inconsistencias, duplicidades o elementos complementarios a la información ya disponible. El tipo vectorial presenta los datos provenientes de las cartas a diferentes escalas, mientras que el tipo alfanumérico contiene El modelo físico que convierte la información geográfica a los datos en forma de tablas y textos. La figura 7 muestra la forma digital, permite analizarla usando métodos estadísticos representación con datos raster y vectoriales. Para cada tipo de información es necesario contar con la definición explícita de su contenido, estructura, relaciones y normas que los rigen así como sus dimensiones mínimas; la representación geométrica en una base de datos geográfica se denomina entidad, tal como un punto, una línea o un área, y está determinada por la naturaleza del rasgo geográfico que representa y su escala; las dimensiones mínimas que definen longitud y ancho y aseguran que el rasgo habrá de recuperarse de los datos sin confusiones en sus dimensiones, las entidades puntuales no tienen tamaño mínimo y todas sus ocurrencias se incluyen en la base de datos, mientras que las dimensiones mínimas en una entidad lineal se definen en función de la longitud y ocasionalmente del ancho, como se muestra en la figura 8. A veces se incorporan ciertas Fig. 6. Imagen satelital. entidades de área con representación puntual, pero deben considerarse los requisitos de dimensiones mínimas.  Científica 7. Se traza la línea del enlace punto a punto o varias líneas para el caso de radiodifusión, para obtener lo que llamamos perfiles de trayectoria. 8. Los perfiles de trayectoria permiten construir gráficas de altura de obstáculos y definir las zonas de Fresnel, mediante un programa de cómputo en MATLAB alimentado de la base de datos generada por el SIG. 9. La atenuación de trayectoria se obtiene usando los modelos para comunicaciones urbanas. 4.6 Ejemplo de aplicación Como ejemplo de aplicación de la metodología SIG en un Fig. 8. Entidad lineal. sistema de comunicaciones, presentamos en este trabajo el diseño de un enlace de radio punto a punto en la delegación Gustavo A. Madero (GAM), del DF, usando una base digital 4.4 SIG: Metodología de aplicación de terreno, superpuesta con otra base de datos con información de altura de edificios. El procedimiento incluye El SIG, es un subsistema dentro del sistema general, su la generación de una herramienta que permite graficar en construcción consta de las siguientes etapas: forma ágil y precisa perfiles de terreno usados en el diseño de enlaces de comunicaciones. 1. Creación de un subsistema de entrada de datos reunidos y procesados como datos espaciales de varios orígenes. El Distrito Federal es una extensión de terreno muy compleja, 2. Generación de un subsistema de recuperación y tanto por las variaciones altimétricas del terreno como por las almacenamiento que organice los datos espaciales para ser diferentes alturas de edificios sobre su territorio; representa recuperados, actualizados y editados. el 0.1% de la superficie del país y se ubica entre las coordenadas 3. Diseño del subsistema de análisis y presentación de tareas. 19°29' y 19°54' de latitud norte y 99°06'48.59'' y 99º07'23.75 de 4. Diseño de un subsistema que despliegue la base de datos, en forma de gráficos, tablas o mapas. 4.5 Metodología aplicada a comunicaciones Se propone en este trabajo una metodología usando un SIG para enlaces de comunicaciones y el empleo de la herramienta ArcGis para digitalizar la información; en general la información es de tipo raster, tanto de los mapas de terreno como de edificios,. El procedimiento es el siguiente: 1. Se obtienen los mapas que se refieren a la zona de estudio. 2. Se procede a georreferenciar la posición para generar el mapa de la primera capa. 3. La segunda capa se refiere a la altura de cotas topográficas que igualmente es transformado a datos digitales. 4. La tercera capa es alfanumérica y se refiere a la altura de los edificios para definir un mapa de colores sobre los otros dos mapas. 5. A partir de los mapas se localizan los puntos del enlace o las zonas de cobertura para efectos de radiodifusión. 6. El SIG proporciona los datos necesarios, en cotas topográficas y alturas de edificios para generar el perfil de Fig. 9. La delegación GAM en el Distrito Federal. terreno.  Científica accidentadas. La superficie de la delegación GAM es de 85.858 DELIMITACIÓN km2 y ocupa el 5.9 % del territorio del DF; sus coordenadas GEOGRÁFICA Distrito Federal, geográficas son: 19°36' y 19°27' de latitud norte y 99°03' y DE LA ZONA específicamente, DE ESTUDIO Delegación G. A. Madero. 99°11', de longitud oeste, la figura 9 la localiza sobre el mapa del DF. Para nuestro caso el SIG se construyó siguiendo las etapas de la figura 10. La primera capa del SIG se obtiene de la ubicación georreferenciada de la zona de estudio. La segunda Cartas topográficas capa del SIG se construye a partir de la información de altimetría, CARTOGRAFÍA digitalizadas del Distrito DE LA ZONA que en general es limitada y poco actualizada [9,10], para este Federal (INEGI). DE ESTUDIO Creación de un base de datos trabajo se usó la base de datos de 46 cartas topográficas digitalizada. digitalizadas de altimetría del INEGI con una escala de 1:20000, procesada con ArcGis que escanea, digitaliza y transforma en datos la altitud, longitud y latitud. OBTENCIÓN DE Utilización de la base de datos Las cartas se leyeron con un paso de muestro de 20 metros, PERFILES digitalizada del DF para para generar información de altimetría con la que se construyen TIPOGRÁFICOS generar gráficas. imágenes en tercera dimensión. La figura 11 muestra esta capa para la GAM usando las cartas topográficas E14A27 y E14A37 del proyecto México de escala 1:20,000. ASIGNACIÓN DE La tercera capa de información está relacionada con la altura SIMBOLOGÍA DE de los edificios. Las construcciones de la ciudad de México USO DE SUELA Utilización del mapa del son muchas y de diferente índole, sus características se definen PARA LA Programa Delegacional de Desarrollo Urbano (PDDU). en el "Reglamento de Construcción de la Ciudad de México" DELEGACIÓN G. A. MADERO , en función de cualquiera de las tres zonas en donde están asentadas, de acuerdo con los artículos 33 y 219: SUPERPOSICIÓN DE LA Asignación de colores en INFORMACIÓN función de la altura DE LOS DATOS DE de los edificios USO DE SUELO GENERACIÓN Visualización de las capas de DE LA VISTA información. DEL SIG Cotas topográficas y altura de los edificios. Fig. 10. Etapas de construcción del SIG. longitud oeste, con una superficie aproximada de 1 484 km2, el 35.8% es llanura, casi plano y sin altibajos, en la que se localiza la mayoría de las delegaciones; el porcentaje restante presenta un suelo accidentado rodeando la zona urbana, la altura varía entre los 2 240 metros sobre el nivel del mar sobre las partes Fig. 11. Mapa de altimetría para la GAM. más planas hasta unos 3000 metros en las partes más  Científica Tabla 1. Clasificación de altura de edificios de la GAM. COLOR ALTURA NÚMERO (m) DE PISOS ROJO 7.2 2 AMARILLO 10.8 3 AZUL 14.4 4 VIOLETA 18.0 5 MORADO 21.6 6 VERDE PROMEDIO RESERVA 10.0 ECOLOGICA. Zona I. Lomas. Zona II. Transición y. Zona III. Lacustre En función de esta división, las normas de construcción en el DF sujetan los usos de suelo a la zonificación como lo señala el artículo 19 de la Ley de Desarrollo Urbano capitalino, en particular la norma 7 "Alturas de Edificación y Restricciones en Colindancia de Predios", establece que la altura máxima entre piso terminado a piso terminado será de 3.60 m y divide Fig. 13. Fotografía de enlace. el uso de suelo en: 1. uso residencial la distribución sobre una porción del mapa delegacional, 2. uso comercial específicamente la zona en donde se desarrolla el ejemplo 3. uso Industrial actual. 4. reserva ecológica El enlace propuesto comunica el edificio de la delegación G. A. Para el enlace en la delegación GAM se consultó el Programa Madero con el Planetario Luis Enrique Erro del Instituto de Desarrollo Urbano local, que define los usos de suelo y Politécnico Nacional, unidad Zacatenco la figura 13 muestra sus delimitaciones geográficas. La tabla 1 muestra la una fotografía del enlace propuesto. clasificación de alturas de edificios de la zona y la figura 12 Los parámetros del enlace son: 1. coordenadas: Planetario 19º29'06.30'' latitud norte y 99º07'23.75'' longitud oeste, delegación GAM: 19º28'58.10" VERDE latitud norte y 99º06'48.59" longitud oeste AZUL 2. frecuencia de operación: 23GHz 3. potencia de transmisión: 2W 4. longitud del enlace 3.17 km. MORADO 5. ganancia de antenas Tx =20dB=Gtx 6. ganancia de antena Rx=20dB=Grx 7. absorción atmosférica: 2 dB VIOLETA AMARILLO 8. pérdida de alimentación: 2 dB Superponiendo los tres mapas georreferenciados, que se definen en la metodología de la sección anterior, se construyó el mapa general de elevaciones en el que se localizan los puntos del enlace, y el SIG proporciona los datos en cotas Fig. 12. Clasificación altimétrica en la GAM. topográficas y alturas de edificios para generar el perfil de terreno. Se traza la línea del enlace punto a punto para obtener  Científica los obstáculos a sobrepasar. Si se desea garantizar la línea de vista entre dos puntos se necesita generar los perfiles topográficos necesarios y sobre ellos graficar líneas que describan curvatura de la Tierra y Zonas de Fresnel para conocer el tamaño y tipo de obstrucción a la que nos enfrentamos. En este trabajo se ha presentado una metodología que permite hacer cálculos de enlace usando sistemas de información geográfica con los que se generan perfiles de terreno para definir su viabilidad, aunque en el ejemplo presentado es un enlace ficticio, se puede concluir a partir de él, la utilidad del procedimiento y por supuesto del uso de los SIG en el cálculo de enlaces de comunicaciones. 6. Referencias Fig. 14. Perfil de trayectoria. Doyle, A.G y Clausen, F. L. (1978:1481). "Practical universal kriging and automatic contouring", Geo-Procesing, núm. los perfiles de trayectoria, con los que se construyen las 1, pp. 377-394. gráficas de altura de obstáculos para definir la obstrucción o Goly, N.(1988). "Spatial interpolation methods: a review", no de la primera zona de Fresnel mediante un programa de The American Cartographer, vol. 10, No. 2, pp. 99-113. cómputo en MATLAB alimentado de la base de datos generada Fabiola Martínez Zúñiga, Los sistemas de información por el SIG, el programa calcula automáticamente los valores geográfica aplicados en telecomunicaciones, Tesis de que se requieren de curvatura de la Tierra, primera zona de maestría, Febrero 2008, Director de tesis: Dr. Jorge Sosa Fresnel y altura real, y se alimenta con información de Pedroza. frecuencia de operación, distancia y paso de muestreo de las Turner, A.K. "The role of three-dimensional Geographic cotas, la figura 14 muestra el perfil de trayectoria obtenido, se Information Systems in subsurface characterization for observa que el análisis del terreno garantiza la línea de vista telecommunications applications" at J. Raper: Three- entre los puntos de transmisión y recepción para una altura dimensional applications in Geographic Information de torres de 9 m para ambos, librando la primera zona de Systems, London, Taylor & Francis, pp115 - 128, 1989 Fresnel. Bajo estas condiciones se encuentra que la atenuación Rhind, D., Green W, "Design of a Geographical Information por trayectoria es de 130.85 dB, por lo que la potencia recibida System for a Heterogeneous Scientific Community", en el receptor, considerando también la atenuación por espacio International Journal of Geographical Information libre, es −90.13dB. Systems, No. 2, vol. 2 pp. 171-189, 1988. Michael Gould, Sistemas de Información Geográfica. 5. Conclusiones Editorial Síntesis (1994). http://www.esri.com/software/arcgis/index.html Los modelos digitales de terreno son una herramienta muy Rappaport Theodore, Wireless Communications. Prentice útil en aplicaciones en las que se necesita conocer las Hall, USA, 1996. características de la superficie terrestre. En aplicaciones de http://mapserver.inegi.gob.mx/geografia/espanol/ comunicaciones los mapas de altimetría del terreno permiten datosgeogra/basicos/estados/df_geo.cfm definir trayectorias que hagan viable un enlace radioeléctrico. http://www.setravi.df.gob.mx/transparencia/pdfs/ Se debe considerar que en la superficie terrestre se encuentran gustavo.pdf obstáculos que no permiten una buena transmisión de las http://www.losmapas.com/ microondas, por lo que se deben tomar en cuenta la altura de http://www.contraloriadf.gob.mx/prontuario/vigente/385.htm _ Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Culhuacán, Maestría en Microelectrónica _ Sección de Estudios de Posgrado e Investigacion: Maestría en Sistemas Energéticos _ _ Especialidad en Seguridad Informática Doctorado en Comunicaciones y Electrónica y Tecnologías de la Información