Notas
 
Instituto Mexicano del Transporte
Publicación mensual de divulgación externa

NOTAS núm. 77, noviembre 2003, artículo 2
Representación de atributos de carreteras en un SIG y segmentación dinámica
 

Introducción

En los últimos años, los Sistemas de Información Geográfica (SIG) se han consolidado como una herramienta de gran utilidad para el almacenamiento, representación, procesamiento y análisis de información relacionada con la conservación y la operación de carreteras.

En el ámbito mundial, existe una tendencia hacia el uso cada vez mayor de los SIG en el desarrollo de sistemas para la gestión de infraestructura vial (pavimentos, puentes, obras de drenaje, etc.) y de aspectos de la operación de las carreteras como accidentalidad, riesgos, pesos y dimensiones del tránsito, entre otros.

Asimismo, se observa una preferencia creciente por el desarrollo de sistemas de gestión integral, es decir, sistemas orientados al análisis global de la problemática de la conservación y operación de los sistemas carreteros, en los que los SIG sirven como elemento integrador de la información asociada con cada una de los componentes de la infraestructura o con los diferentes problemas de operación considerados en estos sistemas.

Normalmente, para el registro de las características de las carreteras o de los eventos que ocurren en ellas, se utiliza un sistema de referencia lineal, paralelo a su eje longitudinal y con origen arbitrario, el cual se conoce, en México, como cadenamiento.

Este sistema de referencia se contrapone con el que utilizan los SIG, el cual consiste en un sistema coordenado tridimensional (x,y,z) o (latitud, longitud, altitud).

El presente artículo, describe los diferentes tipos de información o atributos relacionados con las carreteras y muestra cómo el concepto de segmentación dinámica puede utilizarse para armonizar el sistema de referencia que se usa en el registro de datos de los sistemas carreteros con el empleado por los SIG.

Clasificación de los atributos de carreteras

En este estudio se utiliza el término atributo para hacer referencia a características, elementos constitutivos u obras complementarias de las carreteras, a eventos que ocurren en ellas o a rasgos de su entorno físico.

Con base en la definición anterior, los atributos de las carreteras pueden dividirse en tres grandes grupos: atributos de tramo, atributos de punto y atributos del entorno.

Los primeros, definen propiedades de segmentos de carretera con una longitud arbitraria; como ejemplos pueden mencionarse volumen de tránsito, alineamientos horizontal y vertical, irregularidad superficial y sección estructural del pavimento.

Los atributos de punto están asociados con una posición única definida a lo largo de la carretera.

En esta categoría, se agrupan eventos como accidentes de tránsito o fallas localizadas de cualquier tipo; puentes, alcantarillas y otras obras complementarias; plazas de peaje, destacamentos de la policía de caminos y cualquier otra instalación ubicada sobre un corredor carretero.

Los atributos del entorno se refieren a las características físicas de las zonas por las que se extiende la carretera y comprenden información climatológica, hidrológica y topográfica, entre otras categorías.

Puesto que la segmentación dinámica no se aplica directamente a la modelación de los atributos del entorno, a continuación sólo se tratan aspectos relacionados con los atributos de tramo y de punto.

Registro de atributos de tramo

Para el registro de atributos de tramo es necesario dividir las carreteras en segmentos cuya longitud depende de la naturaleza propia de cada atributo.

Así, por ejemplo, las mediciones del Índice Internacional de Irregularidad (IRI por sus siglas en inglés) corresponden usualmente a segmentos de 100 m, el volumen de tránsito a longitudes definidas por la posición de estaciones de aforo y la clasificación administrativa a tramos delimitados por la autoridad responsable.

Los registros de atributos de tramo suelen incluir un identificador del tramo, la carretera de la que éste forma parte, año de registro, sentido y carril de circulación, cadena-mientos inicial y final, y el valor del atributo, como se ilustra en la Tabla 1 para el IRI

En muchos casos, los sistemas de bases de datos para carreteras no almacenan los atributos de tramo con el mismo esquema de segmentación empleado para el registro de la información.

Ello se debe, en parte, a que por cada uno de estos esquemas se requiere crear una nueva tabla de la base de datos y, conforme crece el número de tablas, el manejo del sistema se vuelve más complejo.

Cuando el sistema utiliza longitudes de tramo mayores a las del esquema de segmentación original (ver Figura ), es común que los atributos se almacenen como promedios aritméticos o ponderados de los valores obtenidos en campo o gabinete, lo cual puede provocar que se pierdan detalles importantes de los datos.

En los casos en los que los tramos definidos en el sistema tienen una longitud menor que la de los tramos originales (Figura ), cada valor del atributo se repite tantas veces como el tramo del sistema quede comprendido en la longitud utilizada para el levantamiento de la información. Lo anterior puede dar origen a problemas de inconsistencia de la base de datos.

Por lo anterior, siempre es recomendable almacenar los atributos de tramo con los mismos esquemas de segmentación empleados para la obtención de la información, independientemente de que estos esquemas se modifiquen después para hacerlos congruentes con las aplicaciones que vayan a hacer uso de los datos (sistemas de gestión de infraestructura vial, modelos de evaluación económica, métodos de diseño, etc.)

El modelo relacional provee las herramientas metodológicas necesarias para la creación de bases de datos en las que los atributos de tramo queden almacenados con el mismo esquema utilizado para su registro.

Registro de atributos de punto

El levantamiento de obras complementarias, instalaciones, eventos y otros atributos de punto incluye, además de la carretera en la que ocurren y su posición en términos del cadenamiento, las propiedades específicas de cada tipo de atributo de punto en particular.

La Tabla 2 contiene un ejemplo del registro de accidentes, el cual contiene la fecha, el número de vehículos involucrados, víctimas fatales y heridos.

Representación de los atributos de carreteras en un SIG

Los Sistemas de Información Geográfica representan a las carreteras, y a los rasgos geográficos lineales en general, como un conjunto de arcos que se obtienen a partir de una carta geográfica existente, de levantamientos con GPS (Global Positioning Systems) o de ortofotos digitales. Esta representación constituye una capa de información geográfica inicial, a la que en lo sucesivo se denominará capa base.

La representación geográfica de los atributos de las carreteras obliga a tomar en cuenta tanto el tipo de cada atributo (de tramo, de punto o del entorno) como, en el caso particular de los atributos de tramo, el esquema de segmentación utilizado en el levantamiento de los datos.

Para la representación de los atributos de tramo, se acostumbra resegmentar la capa base de acuerdo con la subdivisión de la red utilizada para el registro de los atributos (Figura 2). Con este procedimiento, la capa resultante de la resegmentación o capa derivada, queda preparada para relacio-narse con la tabla que contiene los atributos.

Aunque, por una parte, el procedimiento anterior permite representar en forma adecuada a los atributos de tramo, por otra tiene asociados problemas como los siguientes:

  1. Cuando se modifica la capa base, es necesario regenerar las capas derivadas para mantener la congruencia del modelo espacial.
  2. Se requiere crear una capa derivada por cada esquema de segmentación utilizado en el registro de la información.
  3. Cualquier cambio en el esquema de segmentación asociado con algún atributo, obliga a regenerar la capa derivada correspondiente.
  4. La capa base y las capas derivadas representan esencialmente a los mismos objetos geográficos, lo cual puede dar lugar a problemas de inconsistencia del modelo.

Como alternativa al uso de capas derivadas, en ocasiones se utilizan promedios o se repiten valores para hacer corresponder los atributos con el esquema de segmentación de la capa base.

Con ello, también se puede llegar a emplear una sola capa geográfica para representar atributos con distintos esquemas de segmentación. Sin embargo, como se ha visto, lo anterior puede provocar que se pierdan detalles importantes de la información o poner en riesgo la integridad del modelo.

En el caso de los atributos de punto, el procedimiento usual para su representación consiste en georreferenciar la posición en la que ocurre cada atributo, crear una nueva capa con los puntos resultantes y vincular esta capa con la tabla de atributos (Figura 3).

Entre los problemas asociados con este procedimiento, pueden mencionarse los siguientes:

  1. Generalmente, la capa base y la capa de atributos provienen de fuentes distintas, lo cual puede dar lugar a discrepancias en el momento de reunirlas en un modelo espacial.
  2. En el caso de atributos cuyo registro se realiza en forma periódica, es necesario georreferenciar cada nueva instancia del atributo, lo cual constituye también una fuente de discrepancias en el modelo.

Tomando en cuenta los problemas relacionados con la representación de los atributos de carreteras y de otros rasgos lineales, a principios de la década de los noventa los desarrolladores de SIG introdujeron el concepto de segmentación dinámica.

En términos generales, este concepto se refiere a la representación y análisis de atributos de rasgos lineales sin modificar la segmentación de la capa base ni obtener nuevos objetos geográficos mediante los procedimientos tradicionales: reconocimien-to óptico de cartas, recorridos GPS u ortofotos digitales.

Referencia lineal y segmentación dinámica

Como se ha visto, los atributos de carreteras se registran usualmente con base en el cadenamiento, medida que implica el uso de un sistema de referencia lineal paralelo al eje longitudinal del camino. Este sistema permite identificar con precisión los segmentos y las ubicaciones específicas a que se refieren, respectivamente, los atributos de tramo y de punto (Figura 4).

En contraste, los Sistemas de Información Geográfica representan a las carreteras, y a otros rasgos lineales, como un conjunto de arcos unidos por nodos cuya posición se expresa en términos de un sistema de coordenadas bidimensional (x,y,z) o (latitud, longitud, altitud), como se ilustra en la Figura 5.

Retomando la forma en la que se registran los atributos de rasgos como las carreteras, la segmentación dinámica se basa en el uso de un sistema de referencia longitudinal, superpuesto al trazo de cada rasgo, para localizar puntos con una medida similar al cadenamiento.

De acuerdo con la terminología de segmentación dinámica, se denomina ruta a un rasgo lineal con un sistema de referencia longitudinal asociado, y evento a un atributo cuya ubicación puede determinarse con base en este sistema.

Utilizando la misma terminología, se distinguen dos tipos de eventos: eventos de línea o de intervalo y eventos de punto. Estos tipos de evento corresponden, respectivamente, a los atributos de tramo y de punto definidos previamente en este documento.

La segmentación dinámica consiste en crear los tramos o puntos necesarios para la representación de la información en el momento de leer las tablas de eventos (Figura 6). El sistema obtiene la localización geográfica de los nuevos rasgos relacionando las posiciones de los nodos del rasgo original, medidas con respecto al sistema de referencia longitudinal, con las de los tramos o puntos definidos en la tabla de eventos. Los rasgos creados pueden utilizarse para generar una capa adicional del modelo o descartarse, según la conveniencia del usuario, y admiten las mismas operaciones espaciales (unión, intersección, disolución, etc.) que los rasgos de las capas convencionales.

El procedimiento específico para incorporar el sistema de referencia longitudinal a la representación geográfica de rasgos lineales, depende del software de SIG empleado.

Sin embargo, independientemen-te del software utilizado, la segmentación dinámica ofrece ventajas como las siguientes para la representación de atributos de carreteras:

1.      Los esquemas de segmentación inherentes a las tablas de atributos de tramo, pueden utilizarse sin cambio alguno en modelos espaciales destinados a la representación y análisis de las características y la condición de las carreteras o de los eventos que ocurren en ellas.

2.      La capa base constituye la única representación de la ubicación espacial y las características generales de la red.

3.      La actualización de un modelo generado con segmentación dinámica para adecuarlo a una nueva versión de la capa base, resulta considerablemente menos laboriosa que la correspondiente al enfoque tradicional.

4.      Se elimina la necesidad de georreferenciar en campo los rasgos para los que se miden o registran atributos.

5.      Al no requerir la generación de capas derivadas ni la creación de capas de punto adicionales, la segmentación dinámica reduce en forma importante los tiempos necesarios para el desarrollo de modelos espaciales.

Actualmente, la División de Laboratorios de la Coordinación de Infraestructura se encuentra desarrollando el Sistema Geográfico de Evaluación de Pavimentos (SIGEP), en el cual se pretende reunir un conjunto de herramientas para el manejo georreferenciado de información sobre los pavimentos de una red de carreteras y para su evaluación técnica preliminar.

Este sistema ha sido diseñado tomando en cuenta las siguientes premisas, las cuales corresponden a varios de los puntos más relevantes que se han discutido en el presente documento:

1.      Almacenar los atributos de las carreteras de acuerdo con el esquema de segmentación original utilizado para su registro en campo o en gabiente.

2.      Diseñar un conjunto de procedimientos para la modificación de los esquemas originales, de acuerdo con los requerimientos de otras posibles aplicaciones que hagan uso de la información.

3.      Utilizar segmentación dinámica para la representación geográfica de atributos.

Ricardo SOLORIO MURILLO

 

 
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