• Imprimeix

Sistema d'informació geogràfica

Autor: Dr. Joan Nunes. Universitat Autònoma de Barcelona
Promotor: Institut Cartogràfic de Catalunya, 2013

 

Un sistema d'informació geogràfica (SIG o, en anglès, GIS) és un sistema informàtic, format per maquinari, programari, dades, usuaris i un marc organitzatiu, que permet enregistrar, emmagatzemar, gestionar, analitzar, consultar, visualitzar, presentar i difondre qualsevol tipus d'informació geoespacial.

La característica més rellevant i diferenciadora dels sistemes d'informació geogràfica és el fet d'emmagatzemar explícitament la posició geogràfica i la forma geomètrica de les entitats o fenòmens representats en el sistema d'informació i, en conseqüència, la capacitat d'interrelacionar informacions d'entitats o fenòmens diferents per mitjà de la posició i la capacitat de realitzar operacions espacials amb les formes geomètriques de les entitats o fenòmens representats. Les condicions indispensables per fer efectives aquestes capacitats úniques dels sistemes d'informació geogràfica són, d'una banda, la georeferenciació dels diferents conjunts de dades geoespacials, preferiblement segons un mateix sistema de referència espacial, i, d'altra banda, la representació espacial de la forma geomètrica de les entitats o fenòmens mitjançant models de dades espacials adequats com és ara el model de dades vectorial o el model de dades ràster.

Visió típica d'un sistema d'informació geogràfica com a col·lecció de conjunts de dades geoespacials, sovint anomenats capes, que representen diferents classes d'entitats o fenòmens geogràfics corresponents a un mateix àmbit territorial i que estan georeferenciats segons un mateix sistema de referència espacial.
Font: Adaptat de http://www.dbstephens.com/DataVisualTechnology/Geographic_Information_Systems_1.aspx.

El programari de SIG és programari específic que proporciona totalment o parcialment la funcionalitat pròpia dels sistemes d'informació geogràfica. Amb el pas del temps els sistemes d'informació geogràfica han anat convergint amb la resta de tecnologies de la informació i el programari de SIG, inicialment basat en solucions particulars, ha anat adoptant els components informàtics generals (sistemes de gestió de bases de dades, llenguatges, objectes, serveis, etc.), de manera que els sistemes d'informació geogràfica han esdevingut plenament sistemes d'informació, basats en la tecnologia informàtica general, i el programari de SIG un tipus de programari client especialitzat que obté la informació de servidors (de dades, mapes o geoserveis) basats en tecnologia informàtica genèrica.

Les aplicacions dels sistemes d'informació geogràfica són tan nombroses i diverses com els àmbits en què es genera o utilitza informació georeferenciada, ja que de fet han esdevingut l'eina bàsica de gestió i tractament de la informació geoespacial. Alguns dels àmbits destacats d'aplicació dels sistemes d'informació geogràfica són, entre d'altres, la gestió de recursos naturals, el cadastre, la planificació urbana i territorial, l'arqueologia, l'agricultura, la gestió d'emergències, la logística i els transports, la gestió d'infraestructures o la sanitat.

Sumari:

  1. Origen
    1.1  La dècada de 1960. Naixement dels SIG
    1.2  La dècada de 1970. Desenvolupament experimental
    1.3  La dècada de 1980. Desenvolupament comercial i implantació efectiva
    1.4  La dècada de 1990. Desenvolupament tecnològic i difusió
    1.5  La dècada de 2000. Desplegament a Internet i estandardització
  2. Definició
    2.1  Definició general
    2.2  El debat ràster - vector
    2.3  El debat caixa d'eines - base de dades
    2.4  El debat objectes - camps
    2.5  La ciència de la informació geogràfica
    2.6  El web semàntic geoespacial
    2.7  Els SIG en el marc de les tecnologies de la informació geoespacial
  3. Fonaments dels SIG
    3.1  Organització temàtica i espacial de les dades
    3.2  Representació espacial explícita
    3.3  Capacitat de realitzar operacions espacials
    3.4  Informació espacial i informació temàtica
    3.5  Georeferenciació
  4. Funcionalitat dels SIG
    4.1  Entrada i edició de dades
    4.2  Conversió de dades
    4.3  Estructuració de dades
    4.4  Manipulació de dades
    4.5  Gestió de dades
    4.6  Modelització de dades
    4.7  Visualització i consulta
    4.8  Anàlisi
          4.8.1 Geoprocessament i anàlisi cartogràfica
          4.8.2 Anàlisi del terreny
          4.8.3 Anàlisi de xarxes
          4.8.4 Anàlisi espacial
          4.8.5 Anàlisi dels atributs temàtics
    4.9  Presentació cartogràfica
    4.10  Publicació de serveis de mapes i altres geoserveis a Internet
  5. Tipologia funcional del programari de SIG
    5.1  Arquitectures dels sistemes d'informació
    5.2  Programari de cartografia
    5.3  Visualitzador
    5.4  SIG d'escriptori
    5.5  SIG professional
    5.6  SIG en components
    5.7  Bases de dades espacials
    5.8  Programari de SIG web
    5.9  SIG mòbil
    5.10  Altre programari relacionat amb els SIG
  6. Principals orientacions funcionals en la utilització dels SIG
  7. Temes relacionats
  8. Referències
  9. Lectures recomanades

 

Origen

Els sistemes d'informació geogràfica sorgeixen de la informatització de la cartografia, un cop constatat el fet que la disponibilitat en suport digital de la informació cartogràfica permetia fer operacions de consulta, d'anàlisi i d'interrelació de la informació, tant espacial com temàtica, continguda en els mapes, més enllà de l'automatització dels processos de dibuix i d'edició cartogràfica per a elaborar mapes, entesos com a producte de presentació de la informació, que eren els objectius inspiradors de la cartografia assistida per ordinador (Tobler, 1959; Bickmore and Shaw, 1963).

Els sistemes d'informació geogràfica, igual que la cartografia assistida per ordinador, començaren a desenvolupar-se a principis de la dècada de 1960, basant-se en els treballs pioners realitzats durant la dècada de 1950 per a desenvolupar la informàtica gràfica, que portarien a la definició tant dels gràfics vectorials com de les imatges digitals o ràsters.

La dècada de 1960. Naixement dels SIG

El primer sistema d'informació geogràfica operatiu que es coneix va ser el Canada Geographic Information System, CGIS, promogut pel govern de Canadà l'any 1962 com a suport material del seu programa nacional d'inventari i gestió de recursos, en particular de l'ocupació del sòl, anomenat Canada Land Inventory. Roger Tomlinson, considerat el creador dels sistemes d'informació geogràfica, fou l'autor i l'encarregat de desenvolupar la proposta d'aplicar programes informàtics de cartografia com a solució viable a la tasca ingent de produir i gestionar una cartografia d'usos del sòl detallada de tot Canadà, entenent que la informatització ajudaria no sols a resoldre les tasques de producció i emmagatzematge sinó també els processos d'anàlisi de la informació per assistir la presa de decisions.

Per dur a terme el projecte del Canada Geographic Information System, Roger Tomlinson, juntament amb IBM hagueren d'idear i desenvolupar multitud de solucions tècniques, incloent els programes, estructures de dades, índexos espacials i fins i tot maquinari especialitzat per a suportar la compilació, emmagatzematge, consulta i anàlisi de grans volums de dades cartogràfiques de forma ràpida i acurada (Tomlinson, 1967).

El Canada Geographic Information System, CGIS, es va desenvolupar i mantenir operatiu per part del govern de Canadà fins a finals de la dècada de 1980, en què l'emergència i ràpida adopció de programari de SIG comercial el van convertir en obsolet. A principis de la dècada de 1990 un grup de voluntaris van aconseguir extreure la totalitat de les dades del CGIS, que estaven emmagatzemades en les antigues cintes magnètiques de carret obert, i posar-les a disposició del públic en el geoportal de distribució d'informació de recursos naturals del govern de Canadà anomenat GeoGratis.

Un altre dels primers sistemes d'informació geogràfica fou el projecte DIME, Dual Independent Map Encoding (Cooke and Maxfield, 1967), iniciat entre 1965 i 1967 pel US Census Bureau per a enregistrar la definició espacial de la xarxa de carrers de les poblacions dels Estats Units, juntament amb altres línies de límit d'unitats censals, amb la finalitat de definir les àrees estadístiques del cens del 1970 (Smith, 1967).

La dècada de 1970. Desenvolupament experimental

La dècada de 1970 fou el període d'experimentació i desenvolupament d'estructures de dades, algorismes i operacions que progressivament anirien conformant els sistemes d'informació geogràfica i ajudarien a formalitzar-ne el concepte i la funcionalitat i prestacions mitjanes (Tomlinson, 1984, 1988). El pes d'aquest desenvolupament experimental recauria en les universitats o centres d'investigació i en les institucions governamentals, entre les quals i de forma destacada les agències cartogràfiques (Rhind, 1988).

Són especialment remarcables en aquest període els desenvolupaments realitzats en centres universitaris com el Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis de Harvard University, creat el 1966, del qual sortirien implementacions d'estructures de dades tan conegudes com el model vectorial topològic i la xarxa irregular de triangles o d'operacions com la superposició, que serien àmpliament adoptades i servirien de base per al desenvolupament posterior de programari de SIG comercial. Entre els nombrosos programes de cartografia assistida per ordinador o de SIG produïts en el Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis de Harvard University cal esmentar SYMAP, SYMVU, GRID, IMGRID; POLYVRT, MAP, ODYSSEY i ROOTS, que foren el primer programari de SIG a difondre's entre universitats i administracions públiques d'arreu del món abans de l'aparició del programari de SIG comercial (Chrisman, 1988).

Amb menys difusió externa cal remarcar també el paper destacat de les agències governamentals, com és ara el US Census Bureau o el US Geological Survey als Estats Units, o la Experimental Cartographic Unit al Regne Unit i d'altres arreu dels països desenvolupats, així com de multitud d'administracions públiques regionals i locals, en el desenvolupament de sistemes d'informació geogràfica incipients, basats sovint en programari propi.

La dècada de 1980. Desenvolupament comercial i implantació efectiva

L'aparició de productes comercials de programari de SIG a mitjans de la dècada de 1980, com per exemple el conegut programa ArcInfo, la primera versió del qual data de 1985 (Dangermond and Smith, 1988), marcaren la fi del període d'experimentació, de desenvolupament de programari propi i de preeminència de les institucions de recerca o governamentals en el desenvolupament dels sistemes d'informació geogràfica (Chrisman, 1988). Prendrien el relleu en aquest aspecte les empreses dedicades a la producció de programari de SIG comercial, principalment nord-americanes, però també canadenques, britàniques o d'altres països europeus com Alemanya, Suïssa o Holanda. L'origen d'aquest tipus d'empreses és divers. En alguns casos es tractà d'empreses derivades, creades per investigadors i desenvolupadors procedents de les universitats, mentre que en d'altres foren empreses de serveis de consultoria territorial o d'enginyeria que generalitzaren els seus desenvolupaments en forma de productes de programari comercial.

Això no obstant, les universitats i centres de recerca continuarien molt actius durant les dècades de 1980 i de 1990 en el terreny de la investigació teòrica de mètodes i algorismes. En aquest sentit, cal remarcar per exemple la recerca realitzada a l'entorn del consorci universitari nord-americà National Center for Geographic Information and Analysis, NCGIA (Abler, 1987; NCGIA, 1989), creat el 1988 als Estats Units i que fou continuat a partir de 1996 pel University Consortium for Geographic Information Science, UCGIS; o al voltant dels Regional Research Laboratories en el Regne Unit (Masser, 1988; Rhind, 1988), entre d'altres. La implementació efectiva de programari, però, aniria a càrrec de les empreses comercials de programari al llarg de les dècades de 1990 i de 2000, amb algunes excepcions remarcables de programari de SIG desenvolupat a universitats.

L'adopció del programari comercial de SIG a partir de mitjans i finals de la dècada de 1980, tal com succeí en molts altres àmbits, ja que fins aleshores l'existència de programari comercial era molt escassa en qualsevol àmbit d'aplicació, fou molt ràpida i significà en molts casos l'inici de la implantació efectiva de sistemes d'informació geogràfica en un cert nombre d'organitzacions tant governamentals com privades arreu del món, que contribuirien a crear una demanda suficient per mantenir el creixement econòmic i el desenvolupament tecnològic del sector en les dècades següents.

Gràcies a la disponibilitat de programari de més prestacions i fiabilitat, o de millors interfícies i més estable, i a la progressiva acumulació de dades cartogràfiques digitals produïdes per les agències cartogràfiques públiques, es crearien les condicions per a l'expansió comercial i tecnològica de la dècada següent.

La dècada de 1990. Desenvolupament tecnològic i difusió

La dècada de 1990 és en el camp dels sistemes d'informació geogràfica el període de desenvolupament de la tecnologia i al mateix temps el de la generalització de l'ús dels SIG en les organitzacions governamentals i comercials i de l'aplicació en multitud de disciplines científiques o tècniques.

En el pla tecnològic, durant la dècada de 1990, els sistemes d'informació geogràfica evolucionen cap a veritables sistemes d'informació en donar resposta a les necessitats de gestió, utilització i consulta ràpida i senzilla de la informació geogràfica, en lloc d'acumular funcions de manipulació i d'anàlisi de la informació geogràfica, com havia estat la tendència predominant en dècades precedents. Per poder resoldre les necessitats d'ús ràpid i senzill de la informació geogràfica fou necessari desenvolupar nous mètodes d'emmagatzematge de la informació espacial, nous mètodes de consulta espacial i, sobretot, interfícies d'usuari gràfiques senzilles i amigables. Entre mitjans i finals de la dècada de 1990 els sistemes d'informació geogràfica van resoldre o van iniciar el desenvolupament de solucions en aspectes cabdals per al funcionament com a veritables sistemes d'informació com els següents:

  • consulta interactiva (interfícies gràfiques i mètodes dinàmics de selecció espacial)
  • arquitectura client servidor (bases de dades espacials)
  • distribució en components
  • serveis de mapes web i SIG web (arquitectura de tres nivells)
  • interoperabilitat entre programes

Aquestes noves capacitats i formes de concebre l'organització i ús de la informació geoespacial i del programari de SIG s'afegirien als aspectes ja resolts a les dècades de 1970 i 1980:

  • automatització de la producció cartogràfica (dibuix i emmagatzematge d'informació gràfica)
  • automatització de l’expressió cartogràfica (simbolització i composició de mapes)
  • implementació de funcions d’anàlisi (interrelació, anàlisi cartogràfica, del terreny,...)
  • acoplament de bases de dades relacionals (emmagatzematge i gestió dels atributs temàtics mitjançant taules)

Tot i que alguns d'aquests desenvolupaments, com és ara les bases de dades espacials o els servidors de mapes web, no serien adoptats massivament pels usuaris fins a la dècada de 2000, l'aparició de les primeres solucions o l'inici de la recerca de solucions, com en el cas de la interoperabilitat, donarien lloc a tot un seguit de nous tipus de programari de SIG que, des de mitjans de la dècada de 1990 canviaren completament la manera d'entendre els sistemes d'informació geogràfica, facilitaren l'ús dels SIG per part dels usuaris no experts i contribuïren decisivament a l'extraordinària difusió dels SIG durant la dècada de 1990. Entre els tipus de programari de SIG més destacats apareguts a partir de mitjans de la dècada de 1990, cal remarcar els visualitzadors, els SIG d'escriptori, les bases de dades espacials i, a finals de la dècada, els SIG en components i els servidors de mapes web. Paral·lelament a l'aparició de tot el ventall de productes especialitzats de programari de SIG, el desenvolupament de tots aquests tipus de programari marcà l'inici de la convergència dels sistemes d'informació geogràfica amb la resta de tecnologies de la informació que culminaria a la dècada següent.

La dècada de 2000. Desplegament a Internet i estandardització

Els nous desenvolupaments dels sistemes d'informació geogràfica de finals de la dècada de 1990, principalment l'aparició de programari de servidors de mapes web i de SIG web, van propiciar un canvi de paradigma, del programari d'escriptori al programari web, que combinat amb la creixent interoperabilitat entre els programes, possible gràcies a la creixent estandardització dels serveis d'informació geoespacial i del mateix programari de SIG i a l'adopció d'arquitectures distribuïdes (client-servidor o de tres nivells), féu possible el desplegament dels SIG i dels serveis d'informació geoespacial en el web, el desenvolupament de les infraestructures de dades espacials i l'ús de la informació geogràfica i dels sistemes d'informació geogràfica pel públic en general, que ha donat lloc a fenòmens de masses nous en l'àmbit de la informació geoespacial, com és ara la cartografia col·laborativa, els SIG de participació pública, la neogeografia, o les xarxes geosocials, els quals es coneixen col·lectivament com el web semàntic geoespacial.

En el terreny del desenvolupament tecnològic i de l'ús professional de la informació geoespacial, la dècada de 2000 i la tot just iniciada dècada de 2010 es caracteritzen per la doble estandardització que han experimentat els sistemes d'informació geogràfica. D'una banda, externament, respecte de la resta de tecnologies de la informació, per la utilització dels mateixos tipus de tecnologies i recursos (bases de dades, llenguatges de programació, arquitectures, components) que la informàtica general. D'altra banda, internament i tant o més decisiva, l'estandardització dels serveis d'informació geoespacial o geoserveis i d'altres aspectes com models de dades i bases de dades espacials, han fet possible un alt grau d'interoperabilitat entre els programes i la possibilitat d'intercanviar els diferents components de programari dins d'una arquitectura distribuïda, Especialment significativa per a l'establiment d'estàndards geoespacials ha estat la tasca d'organismes com l'Open Geospatial Consortium, (OGC) creat el 1994 amb aquesta finalitat expressa, i el Comitè Tècnic 211 de l'Organització Internacional d'Estàndards (ISO).

Des del darrer terç de la dècada de 2000 les tendències emergents més destacades en el camp dels sistemes d'informació geogràfica han estat la incorporació dels serveis d'informació geoespacial en dispositius mòbils, com és ara telèfons intel·ligents o PDA, gràcies a aplicacions com els serveis basats en la localització, i el fort desenvolupament del programari de SIG lliure i de codi obert, que és el que incorpora més ràpidament els estàndards geoespacials i n'estimula el desenvolupament.

Definició

Definició general

La majoria definicions de sistema d'informació geogràfica són de finals de la dècada de 1980 o principis de la dècada de 1990, quan es va començar a generalitzar l'ús dels SIG en els àmbits professionals, tècnics o científics. Gairebé totes inclouen la referència a les capacitats dels sistemes d'informació geogràfica per a captar, emmagatzemar, analitzar i visualitzar informació geoespacial de qualsevol tipus i moltes enumeren també els components que conformen un sistema d'informació geogràfica, com és ara el maquinari, el programari, les dades, els procediments i els usuaris:

  • [A GIS is] "... a powerful set of tools for collecting, storing, retrieving at will, transforming and displaying spatial data from the real world for a particular set of purposes. ... Geographical information systems should be thought of as being much more than a means of coding, storing and retrieving data about aspects of the earth's surface. In a very real sense the data in a geographical information system ... should be thought of as representing a model of the real world." (Burrough, 1986, p. 6-7)
  • "GIS is best defined as a decision support system involving the integration of spatially referenced data in a problem solving environment. The most important part of this definition is the emphasis on integration. In other words, GIS provides the tools, particularly polygon overlay, that we have always needed to truly synthesize disparate sources of spatial information." (Cowen, 1988, p. 1554)
  • [A GIS is] "...an organized collection of computer hardware, software, geographic data, and personnel designed to efficiently capture, store, update, manipulate, analyze, and display all forms of geographically referenced information." (ESRI, 1990, p. 1.2)
  • "GIS can be seen as a system of hardware, software and procedures designed to support the capture, management, manipulation, analysis, modeling and display of spatially-referenced data for solving complex planning and management problems." (Cowen, 1990, p. 1)
  • "A geographic information system is a facility for preparing, presenting, and interpreting facts that pertain to the surface of the earth. This is a broad definition . . . a considerably narrower definition, however, is more often employed. In common parlance, a geographic information system or GIS is a configuration of computer hardware and software specifically designed for the acquisition, maintenance, and use of cartographic data." (Tomlin, 1990, p. xi)
  • "A geographic information system (GIS) is an information system that is designed to work with data referenced by spatial or geographic coordinates. In other words, a GIS is both a database system with specific capabilities for spatially-reference data, as well [as] a set of operations for working with data . . . In a sense, a GIS may be thought of as a higher-order map." (Star and Estes, 1990, p. 2-3)
  • "In the range of definitions [...] different emphases are placed on various aspects of GIS. Some miss the true power of GIS, its ability to integrate information and to help in making decisions, but all include the essential features of spatial references and data analysis." (Foote, 1995, p. 5)
  • "Geographic information system (GIS) ...[is] a system for input, storage, manipulation, and output of geographic information. A practical instance of a GIS combines software with hardware, data, a user, etc., to solve a problem, support a decision, help to plan." (Goodchild, 1997 p. 1)

Més enllà de les capacitats i dels components algunes definicions afegeixen i fan èmfasi en alguna de les finalitats o aspectes essencials dels SIG:

  • capacitat d'integració (d'interrelació espacial) de la informació
  • capacitat d'anàlisi de la informació
  • suport a la presa de decisions

Aquesta concepció dels SIG com a conjunt d'eines amb capacitat d'integració i d'anàlisi de dades per a resoldre problemes espacials complexos i  donar suport a la presa de decisions és característica dels períodes inicials dels sistemes d'informació geogràfica, que reflecteix tant l'origen com les principals aplicacions inicials dels SIG, com a instrument d'anàlisi i planificació territorial.

Una de les definicions citades (Star and Estes, 1990), tanmateix, apunta el que pot ser una definició actual de SIG, com a sistema d'informació dissenyat per a operar amb dades geoespacials, un cop les aplicacions de gestió de dades han esdevingut predominants i s'ha produït la convergència amb la resta de tecnologies de la informació. Tot i així, aquesta mateixa definició no pot evitar reproduir la dualitat de concepcions dels SIG i acaba afirmant que els SIG són alhora un sistema de gestió de bases de dades amb capacitats espe­cífiques per a manejar dades geoespacials i un conjunt d'operacions per a manipular les dades.

Aquestes dues concepcions dels SIG, caixa d'eines o base de dades, són una constant en l'evolució dels SIG des de mitjans de la dècada de 1980 i reflecteix dues tradicions o cultures disciplinars en el desenvolupament i ús dels SIG. Per un costat, la dels científics i usuaris d'anàlisi i planificació, que són anteriors cronològicament, i la dels informàtics i usuaris de gestió, per l'altre.

Des de finals de la dècada de 1990, la plena integració dels SIG en la tecnologia informàtica general, els desenvolupaments tecnològics incorporats (notablement la consulta espacial interactiva, les bases de dades espacials i l'arquitectura de tres nivells mitjançant el pro­gramari de SIG web) i la utilització quantitativament predo­minant dels SIG en aplicacions de gestió d'informació, han decantat netament la balança en favor de la concepció com a base de dades, fent realitat l'aspiració continguda en la denominació sistema d'informació geogràfica, encara que per als usuaris d'anàlisi i planificació el component més important, que condiciona la seva manera d'entendre i utilitzar els SIG, continua sent la capacitat de manipulació i d'anàlisi de dades.

Reflex d'aquesta evolució i de la doble capacitat -de gestió i d'anàlisi de la informació- dels SIG, des de finals de la dècada de 1990 el programari de SIG s'ha especialitzat en les diferents tasques, de manera que les bases de dades espacials han anat assumint progressivament la funció central de gestió de la informació geoespacial, mentre que els programes de SIG han anat esdevenint cada cop més programes clients d'anàlisi i manipulació de dades. L'especialització del programari de SIG en els darrers quinze anys ha permès, doncs, integrar en una mateixa arquitectura les diferents concepcions dels SIG i alhora proporciona a cada tipus d'usuari el tipus de programari més adequat a les seves necessitats i finalitats d'ús. Això obliga també a conèixer millor els diferents tipus de programari de SIG per tal de fer una elecció encertada.

El debat ràster - vector

A més del debat entorn de la concepció dels SIG com a caixa d'eines o com a base de dades, altres debats i idees han influït i donat forma al concepte de sistema d'informació geogràfica i n'han orientat el desenvolupament tecnològic i aplicat.

El primer dels debats que acaparà l'atenció de la comunitat de des­envolupadors i usuaris dels SIG fins a finals de la dècada de 1980, fou el debat entre els avantatges i inconvenients de la representació ràster o de la representació vectorial de la informació espacial. Vegeu, per exemple, Peuquet (1979) i Peucker and Chrisman (1975); també Burrough (1986), que dóna un resum comparatiu d'ambdues representacions.

El debat ràster - vector de les dècades de 1970 i 1980 fou un debat desenvolupat essencialment en termes tècnics, que contrastava els mèrits respectius d'ambdues formes de representació de la informació espacial pel que fa a diversos aspectes fonamentals per al desenvolupament de les funcionalitats dels SIG:

  • la resolució o detallde la representació espacial obtinguda:
    • ràster: resolució més baixa, menys detall, més apropiada per a dades de mostreig de fenòmens de variació contínua en l'espai, no adequada per a cartografia de presentació.
    • vectorial: resolució més alta, més detall, més apropiada per a dades d'objectes amb límits ben definits, adequada per a cartografia de presentació.
  • la representació explícita de la identitat de les entitatso fenòmens representats:
    • ràster: no representa entitats com a tals, només els valors d'un dels seusatributs en cada conjunt de dades ràster. Totes les cel·les són independents, no es reconeixen altres objectes que les cel·les.
    • vectorial: representa entitats explícitament per mitjà d'elements geomètrics identificats individualment.
  • la representació explícita de relacions espacials entre les entitatso fenòmens representats:
    • ràster: no representa relacions espacials entre les entitats ja que no representa entitats com a tals. La geometria ràster és fixa (una quadrícula) i les úniques relacions espacials, també fixes, són entre cel·les veïnes.
    • vectorial: potrepresentar relacions espacials topològiques entre els elements geomètrics que representen les entitats.
  • la facilitat d'adquisició de dades:
    • ràster: alguns tipus de dades (especialment les procedents de teledetecció i en general tot tipus d'imatges) es capten directament en forma ràster.
    • vectorial: la majoria de dades vectorials requereixen un procés de dibuix, excepte les procedents de GPS o topografia.
  • l'eficiència de l'emmagatzematge(grandària dels fitxers) de la representació espacial obtinguda:
    • ràster: poc eficient sense comprimir, molta informació redundant, cada atribut o  informació  temàtica  diferent requereix una capa ràster separada.
    • vectorial: més eficient, només la informació necessària per a reproduir les formes, els diversos atributs temàtics d'una mateixa classe d'entitats s'emmagatzemen en la taula d'atributs d'una sola capa vectorial.
  • la facilitat per a programar operacions d'anàlisii manipulació de dades:
    • ràster: operacions d'anàlisi de tot tipus (geoprocessament, anàlisi del terreny, superfícies de cost, anàlisi espacial,...), excepte anàlisi de xarxes, més fàcils de programar. Molts tipus d'operacions d'anàlisi només són possibles en la representació ràster.
    • vectorial: operacions d'anàlisi bàsiques (geoprocessament més difícils de programar. Només algun tipus d'anàlisi (anàlisi de xarxes) és exclusiva de la representació vectorial.

Les diferències de processament d'un i altre tipus de representació, així com la forta contraposició inicial entre els partidaris d'una i altra, determinaren que durant aquestes primeres dècades de desenvolupament dels SIG, els programes de SIG es diferenciessin netament entre programes de SIG de tipus vectorialo de tipus ràster, separats.

Afortunadament, el debat ràster - vector es tancà amb un resultat pragmàtic. Ambdues representacions són útils i cada una és més apropiada per a determinats tipus d'informacions i per a determinats tipus d'anàlisis o d'utilitzacions de les dades. El debat, a més, ha estat extraordinàriament beneficiós per al desenvolupament de la funcionalitat dels SIG perquè ha comportat disposar d'una major riquesa i diversitat de funcions d'anàlisi i manipulació de dades.

D'altra banda, la conversió entre ambdós tipus de dades (vectorització, rasterització) fou desenvolupada des de ben aviat, de manera que les dades d'ambdós tipus es poden integrar en qualsevol projecte i convertir unes o altres segons les necessitats de cada tasca del projecte.  Així, des de mitjans de la dècada de 1990, ha desaparegut progressivament la distinció entre programes de SIG de tipus vectorial o de tipus ràster i la majoria de programes de SIG integren i ofereixen funcionalitat de treball per a ambdós tipus de representacions, encara que segons l'origen i/o l'orientació predomini la funcionalitat per a dades vectorials o ràster.

El debat caixa d'eines - base de dades

El debat sobre si un sistema d'informació geogràfica és un conjunt d'operacions d'anàlisi i manipulació de dades geoespacials (caixa d'eines) o bé un sistema d'informació per a la gestió de dades geoespa­cials (base de dades) es desenvolupà a partir de mitjans de la dècada de 1980 (vegeu, per exemple, Dangermond, 1983, 1986; Aronson and Morehouse, 1983; Frank, 1984).

El balanç en aquest sentit durant les dues primeres dècades de desenvolupament dels SIG s'havia decantat del tot vers la concepció dels SIG com a caixa d'eines, ja que els SIG, a desgrat del nom sistema d'informació geogràfica, van néixer i es van desenvolupar per automatitzar en la mesura possible les operacions de processament i manipulació de dades cartogràfiques digitals. Així, els SIG a principis de la dècada de 1980 eren clarament més caixes d'eines (programes de manipulació de dades)  que  no pas bases de dades  (programes per a l'organització i recuperació eficient de la informació).

El debat caixa d'eines - base de dades sorgeix en el moment en què l'aparició dels primers programes comercials de SIG i l'inici de la implantació efectiva dels SIG en organitzacions planteja dues necessitats noves, més enllà de l'automatització d'operacions de processament i anàlisi de dades: el maneig de grans volums de dades espacials i la capacitat d'interrogació espacial interactiva d'aquests grans volums de dades amb un temps de resposta adequat a l'ús interactiu dels SIG.

Aquestes necessitats s'havien començat a entreveure com el gran repte per continuar progressant en el desenvolupament dels SIG des de finals de la dècada de 1970 en alguns congressos específics particularment rellevants (Marble, 1979; Cook, 1978), en els quals s'examinaren les possibilitats d'utilitzar els sistemes de gestió de bases de dades (SGBD) per a gestionar la informació espacial.

La capacitat dels SGBD de l'època per a gestionar i consultar informació espacial eren escasses, per no dir nul·les, tret de l'aplicació a la gestió de les dades alfanumèriques dels atributs temàtics (Aronson, 1987). Tanmateix, l'acoblament de SGBD i SIG esdevindria ja indissoluble a partir de mitjans de la dècada de 1980. Alhora, els SGBD passarien a ser el referent d'arquitectura a assolir per al desenvolupament futur dels SIG.

Encara caldria esperar fins a mitjans de la dècada de 1990 perquè les bases de dades espacials fossin una realitat operativa, tot i diversos intents no reeixits de finals de la dècada de 1980; i encara més, fins a mitjans de la dècada de 2000, per a disposar d'estàndards de models de dades i llenguatges d'interrogació espacial de bases de dades per a implementar bases de dades espacials. No obstant, la concepció dels SIG com a sistemes d'informació guanyaria terreny i orientaria tot el desenvolupament tecnològic posterior, mentre que la concepció com a caixa d'eines es mantindria lligada a la tradició d'ús dels SIG per a  anàlisi i planificació.

El debat objectes - camps

El debat ràster-vector es reproduí a la dècada de 1990 en termes conceptuals en el debat objectes - camps. En aquest cas, es tractà d'un debat centrat en quina conceptualització de l'espai geogràfic era més adequada: una visió basada en objectes que entén la realitat formada per entitats descrites per propietats temàtiques i espacials; o bé una visió basada en camps, segons la qual la realitat es descriu millor per mitjà de magnituds que varien de forma contínua en l'espai i que es poden mesurar com a atributs associats a localitzacions (vegeu, per exemple, Nunes, 1991; Goodchild, 1992; Couclelis, 1992).

Darrera d'aquestes dues conceptualitzacions de l'espai geogràfic es poden identificar, respectivament, les concepcions oposades d'espai relatiu (l'espai com a propietat de les coses) i d'espai absolut (les coses com a propietat de l'espai, que és un contenidor preexistent).

El debat objectes - camps, igual que la contraposició entre espai relatiu i espai absolut, és lluny de tenir un desenllaç concloent, ja que és un dels problemes clàssics de la filosofia de la ciència. La seva incidència en el desenvolupament i definició dels SIG ha estat més aviat baixa pel que fa a la  tecnologia, ja que aquesta s'ha desenvolupat seguint la tendència a convergir amb la tecnologia de la informació en general i, en particular, guiada per l'adopció de les tecnologies de bases de dades i d'orientació a objectes, i pel desenvolupament d'arquitectures orientades a serveis per a implementar aplicacions web a Internet.

L'efecte del debat objectes - camps ha estat sobretot el de fer veure la conveniència de donar més importància a la modelització conceptual en el camp de la informació geogràfica, tant en el desenvolupament teòric dels SIG com en cada aplicació concreta, que fins aleshores havia estat més determinada pel desenvolupament d'estructures de dades que no pas de categories conceptuals.

En aquest sentit el desenvolupament dels SIG com a sistemes d'informació ha afavorit el desenvolupament conceptual, ja que tot sistema d'informació és una representació de la realitat i requereix una conceptualització prèvia de la informació. Així mateix, el desenvolupament de les bases de dades espacials, i l'orientació a objectes, han reforçat més aviat la conceptualització basada en entitats o objectes que no pas la concepció basada en camps.

La ciència de la informació geogràfica

Durant la dècada de 1990 es popularitzà en els cercles acadèmics el terme ciència de la informació geogràfica (geographic information science, GIS o GISc) per designar la recerca teòrica entorn del desenvolupament, ús i aplicació dels sistemes d'informació geogràfica. El terme va ser encunyat per Michael F. Goodchild (1990, 1992) per denotar que la gran activitat de recerca a l'entorn dels sistemes d'informació geogràfica anava més enllà que el simple desenvolupament de la tecnologia.

La finalitat de la ciència de la informació geogràfica és formalitzar els conceptes subjacents de la informació geogràfica, amb la finalitat d'establir una base teòrica per a la tecnologia i la utilització dels sistemes d'informació geogràfica i per a les interaccions entre les tecnologies de la informació geogràfica i la societat.

Aquesta activitat de recerca acadèmica s'ha materialitzat en àmbits com la modelització conceptual (vegeu el debat objectes - camps), el raonament espacial, la cognició espacial, mètodes matemàtics per a formalitzar conceptes i relacions espacials (en particular, les relacions topològiques) i, en general, mètodes d'anàlisi i simulació espacial.

Amb tot, la ciència de la informació geogràfica és lluny encara d'haver assolit un cos de coneixement suficientment complet i articulat i ha esdevingut més aviat una denominació identificativa de la recerca acadèmica teòrica en el camp de la informació geoespacial, diferenciadora respecte del desenvolupament tecnològic dels SIG, liderat des de la dècada de 1990 per la indústria del programari.

Així, l'apel·latiu ciència de la informació geogràfica ha esdevingut d'ús corrent des de mitjans de la dècada de 1990 com a afirmació d'aquest tret diferencial de recerca acadèmica en revistes (per exemple, International Journal of Geographic Information Systems va canviar el nom a International Journal of Geographic Information Systems), congressos, associacions (el University Consortium for Geographic Information Science, UCGIS, successor del National Center for Geographic Information and Analysis, NCGIA) i llibres de text (per exemple, Longley et al., 2005; Wilson and Fotheringham, 2007).

El web semàntic geoespacial

El desenvolupament de la tecnologia dels SIG a Internet a finals de la dècada de 1990, en forma de serveis d'informació geoespacial, i l'entrada en escena de nous actors externs al domini tradicional dels SIG (p.e., Google) han desencadenat tot un conjunt de nous usos entorn de la informació geogràfica, en gran part socials, per part d'usuaris no experts, que han esdevingut veritables fenòmens socials.

Entre aquests nous usos o activitats cal esmentar l'anomenada neogeografia, la cartografia web, la cartografia col·laborativa, el proveïment participatiu, els SIG de participació pública, els serveis basats en la localització, les aplicacions per a dispositius mòbils sensibles al context geogràfic i les xarxes geosocials. Tot aquest conjunt de nous usos i activitats entorn de la informació geogespacial han posat de manifest la importància del factor espacial o, en general, de la localització i de la informació geogràfica en la societat de la informació.

Les noves activitats i mitjans d'ús social de la informació geogràfica, juntament amb el predomini dels serveis d'informació geoespacial com a forma més immediata i habitual d'ús professional de la informació geogràfica i de disponibilitat d'eines per a usar-la, materialitzen encara que de forma limitada l'anomenat web semàntic geoespacial.

El concepte de web semàntic geoespacial (Egenhofer, 2002; Fonseca and Sheth, 2002) és paral·lel, des de la perspectiva de la informació geogràfica, al de web semàntic, que designa la perspectiva d'organització dels continguts d'informació en el web de forma que incorporin major definició del seu significat (semàntica) per tal que la cerca i obtenció d'informació en el web resultin no sols més eficients computacionalment en un univers extremadament abundant en informació, sinó també més significatius i fàcils d'expressar des del punt de vista de l'usuari.

Aquest concepte lligat al de web participatiu, expressat en l'apel·latiu Web 2.0 -que també disposa del seu contrapunt espacial Where 2.0-, han orientat el desenvolupament dels serveis d'informació i de les aplicacions web durant la darrera dècada, i en conseqüència el de la tecnologia web, fins al punt d'esborrar les diferències entre els usos i aplicacions professionals i els creatius i socials de la informació o, si més no, han invertit els termes entre ambdós tipus d'aplicacions i han comportat que els mitjans socials o de no experts hagin entrat a formar part també de les eines professionals.

El web semàntic geoespacial és encara en curs de desenvolupament, sobretot pel que fa a la definició de conceptes i categories espacials d'organització i cerca de la informació geoespacial, però en qualsevol cas és un fet que la dimensió espacial i la localització han esdevingut ja un component obligat en molts dels continguts d'informació disponibles i utilitzables a través del web en forma d'aplicacions de serveis. En aquest sentit, tant els serveis d'informació geoespacial estàndard com els serveis i activitats de dominis no experts, han esdevingut ja la forma principal d'accés i ús de la informació geogràfica, afavorint el coneixement i ús d'aquest tipus d'informació en el conjunt de la societat fins a nivells anteriorment mai assolits. Aquest fet obliga a redefinir en gran part el paper dels sistemes d'informació geogràfica com a eina primordial d'ús de la informació geogràfica.

Els SIG en el marc de les tecnologies de la informació geoespacial

Els sistemes d'informació geogràfica han passat a ser successivament programes de manipulació de dades cartogràfiques, sistemes d'informació i components d'una arquitectura distribuïda orientada al proveïment de serveis d'informació geoespacial.

El desenvolupament dels SIG a Internet i l'adopció d'arquitectures orientades a serveis (o arquitectures de tres nivells) ha comportat que el programari de SIG es descompongui i s'especialitzi en les diverses funcions a realitzar dins d'aquest tipus d'arquitectures. Així, hi ha programari de bases de dades espacials, especialitzat en la gestió i recuperació de les dades geoespacials; programari servidor de mapes o d'altres tipus de geoserveis, especialitzat en la producció de serveis d'informació geoespacial que responen a les demandes del programari client; i finalment programari client, tant de les bases de dades espacials com dels servidors de geoserveis, que ofereix major o menor capacitat de visualització, consulta, edició, manipulació, anàlisi i presentació de la informació geoespacial.

El programari de SIG, que en altre temps permetia acomplir totes les funcions des d'un mateix programa, actualment és un programa client integrat dins d'una arquitectura distribuïda. Com a programa autònom encara pot acomplir totes les funcions, treballant localment, però el més habitual és que actuï com a client per a realitzar només algunes de les funcions (visualització, edició, anàlisi, presentació). Al costat d'aquest programari de SIG clàssic, han aparegut altres tipus de programes especialitzats en només alguna de les funcions que també formen part d'un SIG però que ja no constitueixen un SIG per si sols. Així, la denominació de SIG, pel que fa al programari, pot servir tant per a designar els programes clàssics, capaços de funcionar autònomament, com el conjunt i cada una de les peces de programari que acompleix alguna funció dins de les actuals arquitectures distribuïdes de serveis d'informació geoespacial.

Paral·lelament, pel que fa al camp de la informació geogràfica, el ventall de tecnologies emprades s'ha ampliat i diversificat. Al costat dels SIG pròpiament dits, la fotogrametria digital, els sistemes de navegació global per satèl·lit -entre els quals el conegut GPS-, la topografia digital, la teledetecció i altres tipus de sensors en xarxa proporcionen informació geoespacial digital i estan plenament integrats amb els sistemes d'informació geogràfica i amb la tecnologia de serveis d'informació geoespacial.

Igualment, les aplicacions de serveis basats en la localització per a dispositius mòbils, s'alimenten de la informació dels SIG, però constitueixen una branca d'aplicacions que integra altres tipus de tecnologies, fonamentalment de geolocalizació i de comunicacions.

Diversificació, especialització i integració amb altres tecnologies de la informació i de les comunicacions fan més propi parlar avui de tecnologies de la informació geoespacial, com a camp que comprèn els diferents tipus de tecnologies i de programari, entre els quals els sistemes d'informació geogràfica, que emprar, com en algun moment semblava possible, el terme SIG com a denominació comprensiva dels diferents aspectes de tractament de la informació geogràfica.

Fonaments dels SIG

La capacitat de treball dels sistemes d'informació geogràfica per a realitzar els diversos tipus d'operacions que conformen la seva definició funcional (emmagatzematge, edició, visualització, manipulació, anàlisi, etc.) es basen en un conjunt de principis, que essencialment defineixen les propietats que han de complir les dades geoespacials per tal de poder ser manejades per mitjà d'un SIG.

Organització temàtica i espacial de les dades

Les dades geoespacials han d'estar organitzades de manera coherent en termes conceptuals i lògics per poder ser utilitzades en un sistema d'informació geogràfica.

Igual que en una base de dades cada classe d'entitats diferent es representa per separat en una taula que conté la informació descriptiva d'interès (els atributs) d'aquesta classe d'entitats, en un SIG les dades s'organitzen segons un criteri temàtic, de manera que cada entitat o fenomen diferent s'ha de representar per mitjà d'una classe d'objectes espacials (elements geomètrics en el cas vectorial o cel·les en el cas ràster) diferent que tenen les mateixes propietats temàtiques (per exemple, els rius es representen en una classe diferent, separada, que les carreteres), però també segons un criteri espacial, de manera que cada entitat o fenomen es representa per mitjà d'una classe d'objectes espacials del mateix tipus geomètric per tal que tingui les mateixes propietats espacials (per exemple, els rius sense superfície significativa es representen per mitjà d'una classe d'elements geomètrics de tipus línia, diferent de la dels rius més amples que es representen per mitjà d'una classe d'elements de tipus àrea).

En els sistemes d'informació geogràfica, doncs, la unitat d'informació conceptual i operativa és la classe d'elements, que és homogènia geomètricament i temàticament: un conjunt d'elements amb el mateix tipus de geometria, els mateixos atributs i el mateix sistema de referència espacial, que representa un mateix tipus d'entitat o fenomen geogràfic.

La classe d'elements sovint s'anomena també capa, d'on deriva la concepció típica de les dades d'un SIG com una col·lecció de capes. No obstant, és preferible evitar el terme capa per a referir-se a les dades, ja que pròpiament una capa és cada una de les possibles visualitzacions d'una classe d'elements en l'entorn de visualització d'un programa de cartografia digital o de SIG, de manera que una mateixa classe d'elements pot donar lloc a una multitud de capes diferents.

Les classes d'elements d'un SIG es diferencien, d'altra banda, de les capes dels dibuixos de CAD pel fet de contenir només elements del mateix tipus geomètric i representar només una sola classe d'entitats amb els mateixos atributs temàtics, mentre que les capes de CAD són només una propietat dels elements per organitzar visualment el dibuix i per tant poden barrejar criteris temàtics, espacials i de visualització gràfica, encara que utilitzades de forma correcta poden servir per a organitzar els elements del dibuix de manera que es puguin transformar de manera coherent en classes d'elements d'un SIG. De tota manera, els dibuixos de CAD no recullen atributs temàtics i l'ús  de la propietat capa com a únic atribut temàtic té limitacions i per tant la correspondència entre capes de CAD i classes d'elements d'un SIG no és unívoca, sinó que en determinats casos poden fer falta diverses capes d'un dibuix de CAD per a formar una classe d'elements d'un SIG, mentre que en d'altres només part dels elements d'una capa de CAD correspon a una classe d'elements d'un SIG.

Segons el format i estructura de dades dels diferents programes de SIG les classes d'elements s'organitzen en conjunts de dades geoespacials. En els formats més senzills, un conjunt de dades geoespacials està format només per una sola classe d'elements. En d'altres formats, més complexos, un conjunt de dades geoespacials està format per diverses classes d'elements que, segons els formats,  poden estar relacionades topològicament entre si o ser independents. També segons els formats, l'emmagatzematge de les classes d'elements i dels conjunts de dades pot ser un únic fitxer (rarament), un conjunt de fitxers relacionats amb formats específics per a emmagatzemar els diversos components de les dades (geometria, atributs, etc.), que poden estar solts o reunits en una carpeta, una taula d'una base de dades espacial, etc.

El procés d'identificar les classes d'entitats a representar, decidir la representació espacial adequada i els atributs temàtics d'interès de cada una d'elles per a una determinada finalitat o aplicació constitueix el procés de disseny de la base de dades d'un SIG.

Representació espacial explícita

Una de les condicions fonamentals que han de complir les dades en un SIG és la representació explícita del component espacial de la informació. Per dir-ho clarament, unes dades sobre entitats geogràfiques que no inclogui la definició espacial d'aquestes entitats, no són el tipus de dades característic d'un sistema d'informació geogràfica, encara que s'hi poden integrar. Per exemple, una taula amb dades descriptives dels municipis no és el tipus de dades apropiat per a representar els municipis en un SIG. Per a fer-ho es necessita que la definició espacial els municipis estigui representada per mitjà d'una classe d'elements geomètrics apropiada (per exemple, àrees). Quan es disposa de la representació espacial explícita, les dades descriptives en forma de taula es poden associar als elements geomètrics.

Segons els casos, la representació del component espacial es limita només a la posició o bé inclou posició, forma i extensió de les entitats o fenòmens representats. La representació del component espacial es realitza per mitjà d'elements geomètrics, en el cas del model de dades vectorial, o bé per mitjà de cel·les, en el cas del model de dades ràster.

La representació explícita de la posició pren la forma de punts definits per mitjà de coordenades (o de cel·les en el cas ràster, prenent com a posició les coordenades del punt central de la cel·la). Addicionalment, la posició es pot expressar per mitjà de referències indirectes, com és ara adreces, topònims, referències lineals o codis zonals, a altres entitats de posició coneguda. Els sistemes d'informació geogràfica tenen capacitat per a generar posicions geomètriques a partird'aquestes indicacions textuals, indirectes, de la posició per tal de poder operar amb elles geomètricament de forma homogènia com en el cas de representació espacial explícita.

La representació espacial explícita diferencia els SIG de les bases de dades alfanumèriques.

Capacitat de realitzar operacions espacials

La representació espacial explícita permet als sistemes d'informació geogràfica realitzar operacions espacials (geomètriques) amb els objectes espacials (elements geomètrics o cel·les) que constitueixen les dades i representen les entitats o fenòmens geogràfics.

Les operacions espacials poden servir per a resoldre un gran nombre de necessitats de manipulació i anàlisi de les dades:

  • calcular propietats espacials dels objectes espacials (longituds, superfícies, etc.).
  • determinar o avaluar relacions espacials entre objectes espacials de la mateixa classe o de classes diferents (distància, encavalcament, contigüitat, contenció, etc.).
  • resoldre consultes basades en condicions espacials.
  • transformar la geometria dels objectes espacials (simplificació o suavització de formes, reducció dimensional, etc.)
  • generar nous objectes espacials derivats dels objectes espacials originals (agregació espacial, àrees de proximitat, àrees d'influència).
  • interrelacionar espacialment diferents classes d'objectes espacials per tal d'establir relacions (unió espacial) o combinar-los en noves classes d'objectes espacials fent la intersecció (superposició).

La capacitat de realitzar operacions espacials és una de les característiques distintives dels sistemes d'informació geogràfica i el factor determinant del requeriment de representació espacial explícita. En particular, la capacitat de realitzar operacions espacials, i especialment la capacitat d'interrelacionar espacialment diferents informacions, diferencia els SIG dels programes de cartografia assistida per ordinador i dels programes de dibuix o de disseny assistit per ordinador (CAD).

Informació espacial i informació temàtica

La representació espacial explícita és una condició necessària de les dades d'un sistema d'informació geogràfica però no suficient. En un SIG les dades inclouen necessàriament informació espacial (els objectes espacials) i informació temàtica (els atributs descriptius).

En el cas del model de dades vectorial els objectes espacials són elements geomètrics i els atributs temàtics s'emmagatzemen en la taula d'atributs de la classe d'elements, de manera que cada element geomètric enllaça amb la fila corresponent de la taula d'atributs. En les modernes bases de dades espacials, tota la informació -espacial i temàtica- s'emmagatzema en una mateixa taula, com si la geometria fos una columna més. Això elimina la separació entre elements geomètrics emmagatzemats en fitxers i atributs temàtics emmagatzemats en la taula d'atributs corresponent, i fa més natural i integrat el tractament de tota la informació -espacial i temàtica- corresponent a cada classe d'entitats.

En el cas del model de dades ràster, els objectes espacials són les cel·les de la quadrícula ràster i els atributs temàtics es redueixen a un únic atribut per a cada ràster o imatge, el valor numèric associat a cada cel·la. Alguns formats de dades ràster han introduït també la taula d'atributs per als ràsters de valors categòrics, de manera que el valor de les cel·les és un codi de categoria que enllaça amb la fila corresponent de la taula d'atributs del ràster que conté els atributs de les categories representades pels valors de les cel·les (p.e., un codi de classe de vegetació).

La inclusió del component temàtic, a més de l'espacial, en les dades d'un sistema d'informació geogràfica és el que diferencia els programes de SIG dels programes de disseny assistit per ordinador (CAD) que només recullen informació d'objectes espacials (elements de dibuix) i tan sols permeten incloure algun atribut temàtic de forma limitada a través de les propietats gràfiques (capa, color, estil,...) dels elements de dibuix. Així, encara que amb el temps, els programes de CAD han afegit la funció de vincular elements de dibuix a taules de bases de dades externes, es tracta d'un recurs extern al dibuix en si i no d'una estructura nativa inherent a les dades de CAD.

Georeferenciació

Una darrera condició fonamental que han de complir les dades d'un sistema d'informació geogràfica és el fet d'estar georeferenciades, ja que si totes les dades expressen posicions sobre la superfície terrestre es podran visualitzar conjuntament de forma coherent i es podran relacionar entre si les entitats o els fenòmens que representen. En particular, en el cas de les dades d'un sistema d'informació geogràfica concret, els diferents conjunts de dades hauran d'estar georeferenciats segons el mateix sistema de referència espacial per tal de poder operar-los entre si o, si més no, hauran de dur incorporada la indicació del sistema de referència espacial en què estan georeferenciats per tal de poder fer les transformacions necessàries a un sistema de referència espacial comú.

La georeferenciació és la representació de la posició dels fenòmens o entitats mitjançant un sistema de referència que permeti expressar posicions geogràfiques; és a dir, posicions sobre la superfície terrestre. El concepte de georeferenciació s'aplica també al fet d'afegir o de fer explícita la informació de posició geogràfica de dades que, en cas contrari, serien dades espacials, purament temàtiques (per exemple, un llistat d'establiments industrials sense adreça) i que en virtut de la georeferenciació esdevenen dades geoespacials.

Els sistemes de referència emprats per a georeferenciar la informació geoespacial són molt diversos. Poden ser sistemes de coordenades, geogràfiques o projectades, que indiquin posicions sobre la superfície terrestre, cas en què s'anomenen sistemes de referència espacial, o bé altres sistemes de referència, que expressen la localització mitjançant referències a entitats geogràfiques de posició coneguda, com és ara els sistemes d'adreces de carrer, els codis de zones, els topònims o les referències lineals com els punts quilomètrics. La georeferenciació mitjançant coordenades es considera georeferenciació directa o contínua, mentre que la georeferenciació mitjançant referències a altres entitats geogràfiques s'anomena georeferenciació indirecta o discreta, dins de la qual destaca la georeferenciació mitjançant codis, anomenada geocodificació, i en particular la geocodificació d'adreces.

Des del punt de vista operatiu, la georeferenciació comprèn el conjunt d'operacions dels sistemes d'informació geogràfica necessàries per a expressar o afegir la localització dels fenòmens o entitats com  a posicions geogràfiques. Segons els casos, les operacions de georeferenciació poden consistir en una transformació de coordenades, una correcció geomètrica d'una imatge o l'afegiment d'una adreça o d'un altre tipus de referència geogràfica a unes dades alfanumèriques.

La georeferenciació és fonamental en la cartografia digital i en els sistemes d'informació geogràfica, ja que gràcies a la georeferenciació és possible visualitzar conjuntament, combinar i relacionar espacialment  tot  tipus de dades geoespacials unes amb  altres,  aplicant  les transformacions necessàries entre sistemes de referència, en cas que siguin diferents. Precisament, per aquesta capacitat d'interrelació d'informacions, la georeferenciació aporta valor afegit a la informació geogràfica.

D'altra banda, el fet ja conegut que la immensa majoria d'informacions es poden georeferenciar s'ha posat de manifest durant la darrera dècada amb la ràpida difusió de l'ús del sistema de posicionament global (GPS), la importància que ha adquirit la informació de localització en el web semàntic geoespacial i la multitud d'activitats no expertes de georeferenciació i de serveis que se n'han derivat, entre les quals hi ha la geolocalització, els serveis basats en la localització, el geoetiquetatge, la geocerca, les xarxes geosocials o la neogeografia.

Funcionalitat dels SIG

La funcionalitat d'un programa o d'un sistema informàtic és el conjunt d'operacions que ofereix per al tractament de la informació o, dit d'altra manera, per a resoldre les tasques de l'usuari.

La funcionalitat dels sistemes d'informació geogràfica està indicada en la mateixa definició de SIG: sistema informàtic per a enregistrar, emmagatzemar, gestionar, analitzar, consultar, visualitzar, presentar i difondre informació geoespacial. Hi ha diferents maneres d'agrupar la funcionalitat dels SIG. Conolly and Lake (2006) reprodueix la diferenciació de Jones (1997) de les funcions dels SIG en cinc grups: adquisició de dades, gestió de dades espacials, gestió de bases de dades, visualització de dades i anàlisi de dades. Altres classificacions, com la utilitzada aquí, adaptada de Maguire and Raper (1990), agrupen les funcions en un major nombre de grups, més detallats:

  • Entrada i edició de dades
  • Conversió de dades
  • Estructuració de dades
  • Manipulació de dade
  • Gestió de dades
  • Visualització i consulta
  • Anàlisi
  • Presentació cartogràfica
  • Publicació de serveis de mapes i altres geoserveis web

D'altra banda, la funcionalitat d'anàlisi es pot descompondre en un cert nombre de tipus d'anàlisis específiques:

  • Geoprocessament i anàlisi cartogràfica
  • Anàlisi del terreny
  • Anàlisi de xarxes
  • Anàlisi espacial

En qualsevol cas, la finalitat de classificar la funcionalitat dels SIG és només descriptiva. A la pràctica, moltes operacions poden formar part de més d'un grup funcional, segons el propòsit amb què s'utilitzen, i, d'altra banda, cal tenir en compte que sovint, per a completar un procés de treball o una etapa d'un projecte de SIG, s'utilitzen conjuntament operacions de diferents grups funcionals.

Entrada i edició de dades

El bloc d'entrada i edició de dades inclou totes les operacions necessàries per a crear i modificar les dades, tant espacials com temàtiques (alfanumèriques), en un sistema d'informació geogràfica.

En termes estrictes les operacions de captació primària de dades no formen part de les operacions d'un SIG, sinó de les tecnologies respectives de captació de dades (GPS, topografia digital, fotogrametria digital, teledetecció, prospecció geofísica, etc.). Generalment les diverses tecnologies de captació de dades, produeixen dades amb estructures i formats que cal modificar per a incorporar-les a un SIG i, d'altra banda, la finalitat de la captació d'aquest tipus de dades no necessàriament és incorporar-les a un SIG, encara que els SIG són la plataforma idònia per a integrar i usar aquests tipus de dades geoespacials. Així, la incorporació als SIG de les dades  primàries captades digitalment es resol amb operacions dels SIG de conversió, estructuració i manipulació de dades.

Habitualment, en els sistemes d'informació geogràfica, se sol distingir entre entrada i edició, segons si es trac­ta d'introduir dades noves o de modificar dades existents. A la pràctica, però, les operacions per a crear o modificar dades són essencialment les mateixes.

L'entrada i edició de dades espacials de tipus vectorial comprèn els diferents tipus de digitalització:

  • La digitalització manual, en particular, és idèntica a l'edició, ja que comprèn les diverses operacions interactives per a generar o modificar dades cartogràfiques digitals dibuixant les formes dels elements geomètrics (dibuixar elements nous, esborrar elements existents, modificar la forma d'un element, i operacions particulars com autocompletar o dividir polígons, combinar elements, etc.).
  • La digitalització semiautomàtica o assistida, també anomenada vectorització o digitalització automàtica, és un procediment semiatomàtic d'extracció d'elements vectorials (línies) a partir d'imatges digitals de mapes escanejats.

El que diferència l'entrada de dades de l'edició és la finalitat:

  • En el cas de l'entrada de dades, la digitalització té per finalitat crear dades espacials noves a partir de mapes analògics (en paper) o d'imatges.
  • L'edició, en canvi, consisteix a modificar dades espacialsjaintroduïdes, amb l'objectiu de corregir errors, d'actualitzar-les, de completar-les (especialment en el cas de dades creades per digitalització semiautomàtica) o d'adaptar-les perquè tinguin concordança amb altres dades i/o siguin apropiades per a una anàlisi. L'edició de dades té lloc generalment després de l'entrada de dades, abans de l'estructuració de dades, per corregir defectes visibles, o bé després de l'estructuració, un cop s'han identificat errors que cal corregir.

L'entrada i edició de dades espacials de tipus ràster es força diferent de la de les dades vectorials. Les dades ràster normalment es capten directament amb dispositius electrònics (càmeres digitals, escàners, sensors multiespectrals en el cas de les imatges de satèl·lit, aparells de prospecció geofísica, etc.) que generen imatges digitals o bé són el resultat de la conversió de dades vectorials a dades ràster. D'altra banda, les dades ràster són massa voluminoses per poder introduir-les manualment, encara que s'havia fet en el passat. Per tant, en general no hi ha pròpiament entrada de dades ràster, tret potser del cas d'imatges de mapes escanejats, sinó captació de dades ràster o conversió de dades vectorials a ràster. Pel que fa a l'edició de dades ràster, tampoc és gaire freqüent haver de modificar interactivament els valors de les cel·les d'un ràster, però de vegades és necessari per a corregir errors puntuals. Altres operacions més específiques de correcció d'imatges (correcció geomètrica i georeferenciació, correcció espectral, eliminació de bandejat, millora del contrast, etc.) formen part de les operacions de processament digital d'imatges i són més pròpies dels programes de teledetecció o formen part de les operacions de manipulació de dades dels SIG.

L'entrada i edició de dades temàtiques consisteix simplement a introduir o modificar els valors dels atributs temàtics en les taules d'atributs dels elements de les dades vectorials, o bé en taules externes que després es vinculen amb operacions d'unió relacional amb les taules d'atributs dels elements. En el cas de les dades ràster, introduir o modificar els valors de les cel·les equival a l'entrada i edició de dades espacials ràster, ja que un ràster no és altra cosa que el conjunt ordenat dels valors de les cel·les.

Alguns atributs temàtics, pocs, com és ara un identificador individual o de classe, s'introdueixen durant la digitalització, bé per mitjà de formularis abans o després de crear cada element o bé per mitjà dels punts d'etiqueta en el cas dels polígons. No obstant, la majoria d'atributs, sobretot quan el nombre d'atributs a introduir és més gran, s'introdueixen fa després de la digitalització, mitjançant les operacions d'edició de taules, que comprenen introducció i modificació de valors dels atributs, afegir registres nous, calcular automàticament tots els valors d'un atribut segons una constant o una expressió de càlcul, etc. La modificació de l'estructura de les taules, afegint o esborrant camps, i la creació de taules es conside­ren més pròpiament operacions d'estructuració de dades.

Conversió de dades

El bloc funcional de conversió de dades inclou les operacions que serveixen per a transformarel format, l'estructura de dadeso la representació espacial d'unes dades inicials a un altre format, estructura de dades o representació espacial diferent.

La conversió de dades és una funcionalitat molt important dels sistemes d'informació geogràfica, ja que les fonts de dades poden ser molt diverses. Els programes de SIG disposen de nombroses funcions de conversió de dades, per bé que molts programes són capaços de llegir directament les dades d'altres formats de manera transparent per a l'usuari, cosa que fa possible una de les formes bàsiques d'interoperabilitat. Tot i això, la lectura directa implica una certa reducció, atès que la conversió interna que fan els programes es fa al nivell d'informació comuna a ambdós formats, que lògica­ment és el més baix en cas de ser diferents. Per aquest motiu, més enllà d'un ús bàsic o ocasional de visualització i consulta simple de les dades, sovint continua sent necessària la conversió de dades.

La conversió de dades pot consistir simplement en un canvi de format. Per exemple, el canvi d'un format d'imatge a un altre format d'imatge diferent perquè un programa no pot llegir directament un determinat format; o bé el canvi d'un format vectorial simple (per exemple, un format de CAD) a un altre format vectorial simple (per exemple, el format shape).

Sovint, però, la conversió implica més que un simple canvi de format, atès que l'estructura de dades del format inicial i la del format final poden ser força diferents (per exemple, en el cas de passar d'una estructura de dades vectorial simple a una estructura de dades vectorial topològica i viceversa). En el cas que la conversió de dades impliqui un canvi d'estructura de dades cal efectuar operacions d'estructuració després de la conversió de format.

La conversió de dades inclou també el canvi de representació espacial, per passar de la representació vectorial a la representació ràster i viceversa. En aquests casos el canvi afecta també l'estructura de dades però, com que les estructures de dades són molt diferents en cada una de les representacions espacials i estan implícites en els formats inicial i final escollits, normalment es resolen tots els canvis dins de la mateixa operació de conversió de dades. Només en el cas de desitjar una estructura de dades diferent a la resultant de la conversió, s'efectuen operacions posteriors d'estructuració de dades (per exemple, si el resultat de vectoritzar un ràster és un format amb una estructura vectorial simple i es desitja una estructura vectorial topològica). La conversió de dades vectorials a ràster rep el nom específic de rasterització i la conversió inversa el de vectorització.

Estructuració de dades

L'estructuració de dades és el conjunt d'operacions automàtiques destinades a donar a les dades l'estructura final en un sistema d'informació geogràfica, segons l'estructura de dades escollida o l'emprada pel programari utilitzat, i segons l'esquema lògic de la base de dades, en cas d'haver de carregar-les en una base de dades.

Generalment, la captació o l'entrada de dades no produeix directament dades estructurades, per no sobrecarregar la tasca d'introduir dades (per exemple, la digitalització) amb manipulacions o transformacions que es poden efectuar posteriorment de manera automatitzada. L'estructuració de dades s'efectua immediatament després de l'entrada de dades, quan es creen dades noves, o després de la conversió de dades per tal de generar l'estructura de dades final desitjada. Igualment, s'efectua immediatament després de l'edició, quan es modifiquen dades existents, per tal de regenerar l'estructura de les dades modificades. També es pot realitzar en qualsevol momentper a reestructurar unes dades ja existents.

Entre les operacions d'estructuració de dades espacials més habituals dels SIG cal destacar:

  • l'estructuració topològica de dades vectorials segons topologia planar o topologia de regles, per a crear i validar mosaics de polígons i xarxes lineals.
  • la creació d'elements compostos a partir d'elements simples i viceversa.
  • l'estructuració de dades ràster simples segons una estructura de dades més complexa, com és ara la codificació per longitud de recorregut, l'arbre quaternari o altres.
  • la creació d'estructures d'indexació espacial, com és ara malles, arbres quaternaris, arbres R, piràmides o similars, i dels índexs espacials associats.
  • la creació d'elements lineals amb mesures lineals associades per a realitzar operacions de referenciació lineal.

Especialment rellevant és l'estructuració topològica, que és el  procés automàtic de creació o de regeneració de topologia en un conjunt de dades vectorial a partir de la geometria dels seus elements. L'estructuració topològica és obligatòria en els conjunts de dades vectorials dotats de topologia arc-node o de topologia polígon-arc i cal aplicar-la cada cop que s'efectua qualsevol modificació en la geometria dels elements del conjunt de dades vectorial.

Les operacions d'estructuració de bases de dades, tant alfanumèriques com espacials, tot i ser operacions d'estructuració de dades, es consideren operacions de gestió de bases de dades o simplement de gestió de dades.

Manipulació de dades

Les operacions de manipulació de dades dels sistemes d'informació geogràfica són operacions automatitzades de transformació de les dades sense alterar substancialment el contingut ni modificar l'estructura de les dades i sense que intervinguin operacions d'edició interactiva.

La  finalitat de les operacions de manipulació de dades és adaptar les dades a requeriments específics d'ús, d'integració o de qualitat de les dades per deixar-les en l'estat final d'utilització.

La major part d'operacions de manipulació de dades dels SIG transformen les dades espacials, no les dades temàtiques, però també s'inclouen operacions genèriques de manipulació de dades alfanumèriques emmagatzemades en taules per tal de manipular els atributs temàtics.

Algunes de les operacions de manipulació de dades espacials més importants dels SIG són:

  • la georeferenciació i les operacions associades de transformació de coordenades, de canvi de projecció cartogràfica, d'ajust espacial d'elements vectorials i de correcció geomètrica de ràsters.
  • la generalització espacial i temàtica, que inclou entre d'altres la simplificació i la suavització de formes d'elements vectorials i el remostreig (densificació i contracció) de ràsters.
  • l'eliminació automàtica de micropolígons, de pseudonodes i altres operacions de correcció automàtica.
  • les operacions de filtratge de dades ràster i vectorials.
  • la reducció dimensional d'elements vectorials (col·lapse d'àrees a línies o punts, transformació de l'eix mitjà, etc.) i l'esqueletització de ràsters.
  • la compilació assistida, que ajusta la geometria entre dos conjunts de dades per a establir la correspondència entre els seus elements respectius i transferir els atributs associats dels uns als altres.

Part d'aquestes operacions, especialment les que tenen finalitat de correcció o depuració, s'associen moltes vegades amb les operacions d'edició. Altres operacions, com la generalització o la compilació assistida, en què es produeixen versions derivades de les dades originals, es poden relacionar amb les operacions de geoprocessament. En general, les operacions de geoprocessament poden servir tant per a realitzar anàlisis com per a construir dades.

Gestió de dades

La gestió de dades comprèn les operacions de control, organització i emmagatzematge de les dades. Tradicionalment, en els sistemes d'informació geogràfica, la gestió de dades es divideix en gestió de dades espacials i gestió de bases de dades, ja que l'emmagatzematge de les dades espacials i el dels atributs temàtics habitualment ha estat diferent i separat: en fitxers, en el cas de les dades espacials, i en taules de bases de dades relacionals, en el cas dels atributs temàtics.

Des que a mitjans de la dècada de 1990, i sobretot al llarg de la de 2000, s'utilitzen cada cop més bases de dades espacials, que emmagatzemen també els elements geomètrics en taules, la gestió de les dades espacials i temàtiques  s'unifica  en gestió de bases de dades. No obstant, la gestió de les bases de dades espacials comporta un cert nombre d'operacions més específiques que la gestió de bases de dades alfanumèriques corrents. D'altra banda, és molt habitual encara, sobretot en projectes personals, d'anàlisi o de curta durada, així com temporalment en les feines de preparació de dades, que les dades espacials s'emmagatzemin en fitxers i per tant es continuen utilitzant molt les operacions de gestió de dades espacials.

Les operacions de gestió de dades espacials inclouen, entre d'altres:

  • operacions bàsiques de gestió de fitxers, com és ara copiar, esborrar o canviar el nom dels conjunts de dades geoespacials, tenint en compte que un conjunt de dades en els formats de fitxers dels programes de SIG gairebé sempre sol ser un grup de fitxers.
  • operacions d'unir conjunts de dades geoespacials diferents en un sol conjunt de dades, unint les respectives taules d'atributs i regenerant o no l'estructura topològica en el conjunt de dades resultant en cas que n'hi hagi. Entre aquestes operacions hi ha les d'afegir (sense topologia), el mosaic vectorial (amb topologia), l'ajust de vores, el mosaic de ràsters i d'altres.
  • operacions d'extracció de dades en un conjunt de dades a part.
  • la creació i manteniment de metadades descriptives dels conjunts de dades geoespacials.

Com en el cas de les operacions de manipulació de dades, les operacions de gestió de dades espacials estan relacionades amb les operacions de geoprocessament, que poden servir tant per a realitzar anàlisis com per a tasques de construcció, gestió i manipulació de dades.

Les operacions de gestió de bases de dades inclouen, entre d'altres:

  • la creació i modificació de l'estructura de les taules que formen la base de dades.
  • les operacions generals de gestió de taules, com copiar, esborrar i canviar el nom de taules (molts sistemes de gestió de bases de dades, però, no permeten canviar el nom de taules).
  • la càrrega de dades, massiva, dins de les bases de dades a partir de fonts de dades externes o d'altres bases de dades.
  • la definició de claus i altres restriccions sobre les taules.
  • l'establiment i manteniment de relacions entre les taules de les bases de dades i entre aquestes i les classes d'elements dels conjunts de dades geoespacials.
  • la gestió de versions de les bases de dades.
  • l'administració de bases de dades pel que fa a seguretat, usuaris, emmagatzematge, còpies de seguretat, etc.
  • la creació i manteniment de metadades descriptives de les bases de dades.

Els sistemes de gestió de bases de dades, segons la definició  clàssica, només diferencien entre operacions de definició de dades (llenguatge de definició de  dades,  DDL,  de  l'anglès  data  definition language), per a definir i modificar l'estructura de taules de la base de dades, i operacions de manipulació de dades (llenguatge de manipulació de dades, DML, de l'anglès data manipulation language), que inclouen tant la consulta com la modificació de dades. La gestió de bases de dades comprèn les operacions de definició de dades més les d'administració general de bases de dades. En qualsevol cas el llenguatge estàndard de bases de dades SQL (Structured Query Language) integren en un mateix llenguatge totes les operacions, tant les de definició i d'administració com les de manipulació de dades.

La gestió de bases de dades espacials, en el cas de les bases de dades espacialsestàndard, estén la gestió de bases de dades amb operacions específiques per al maneig de dades espacials. En particular, les bases de dades espacials estàndard utilitzen l'extensió espacial del llenguatge SQL de bases de dades, el qual, a part de moltes altres operacions de consulta i manipulació espacial, inclou com a operacions bàsiques de gestió:

  • la creació de taules espacials, que emmagatzemen geometria a més d'atributs temàtics.
  • la càrrega de dades espacials en les taules espacials a partir de formats específics de text (WKT, Well Known Text).
  • la verificació de la correcció geomètrica de les dades espacials.

Altres tipus de bases de dades espacials, no estàndard, com és ara les geobases de dades (orientades a objectes) proporcionen operacions pròpies equivalents per a la creació i modificació dels objectes equivalents (classes d'elements) o addicionals (conjunts de dades, classes de relacions, topologies, etc.) a les taules espacials que formen l'estructura de la geobase de dades, així com operacions pròpies d'administració (permisos d'usuaris, gestió de versions, etc.).

Modelització de dades

Un procés fonamental de la creació de bases de dades, i en general de les dades espacials d'un SIG, és la modelització de dades o, dit d'altra manera el disseny de bases de dades. Aquest procés de modelització de dades és previ i no forma part de la funcionalitat de gestió de bases de dades, ni en general de la funcionalitat dels SIG, però evidentment és vital per a la coherència i aprofitament de dades de les bases de dades i per a la posterior adaptació de l'estructura de la base de dades a canvis sobrevinguts.

Els sistemes de gestió de bases de dades no proporcionen operacions de disseny de bases de dades, sino operacions que permeten implementar els disseny de bases de dades prèviament elaborats amb mitjans externs. Els instruments més habituals i útils per a la modelització de dades són els programes d'enginyeria de programari assistida per ordinador, també anomenats eines CASE (computer-aided software engineering), que permeten elaborar el disseny de bases de dades per mitjà de diagrames basats en llenguatges de modelització, com per exemple el model entitat-relació, útil per a dissenyar bases de dades relacionals o el llenguatge de modelització unificat (UML, Unified Modeling Language), per a dissenyar bases de dades orientades a objectes.

La utilització d'eines CASE per al disseny de bases de dades té dos avantatges importants. En primer lloc, les eines CASE permeten informatitzar el procés de disseny en entorns de treball visuals que reconeixen i mantenen el significat dels components del disseny, de manera que, a més de simplificar i accelerar l'elaboració dels diagrames de modelització, n'asseguren la coherència sintàctica i semàntica. En segon lloc, i especialment útil, les eines CASE permeten generar automàticament l'estructura de les bases de dades (el conjunt de taules o de classes d'elements) a partir dels diagrames de modelització elaborats, amb un simple clic i, segons els programes, amb control de l'usuari per a revisar i corregir possibles errors durant la creació de la base de dades. Això permet generar i replicar arreu l'estructura d'una base de dades complexa en pocs minuts disposant només del model i del programa CASE adequat.

L'ús de programes CASE per al disseny de les dades espacials dels SIG és limitat, ja que els llenguatges de modelització en què es basen estan concebuts per al disseny de bases de dades generals, és a dir alfanumèriques. Tot i així, en el cas de les bases de dades espacials orientades a objectes es pot utilitzar el llenguatge de modelització UML i en el cas de les bases de dades espacials el model entitat-relació, encara que cap dels dos no recull el component espacial de la informació. Realment falten llenguatges de modelització adaptats a la modelització conceptual de les dades espacials, en particular per a la modelització de les relacions espacials que haurien de complir les diferents classes d'elements. En qualsevol cas, ni que sigui per analogia, la metodologia general de disseny de bases de dades constitueix el referent bàsic que cal tendir a aproximar pels mitjans que sigui en el disseny de les dades espacials dels sistemes d'informació geogràfica. L'ús de bases de dades espacials està accelerant la tendència a reduir aquesta distància.

Visualització i consulta

La visualització de les dades es pot considerar associada a l'elaboració de mapes de presentació, però també forma part de l'exploració i la consulta de les dades espacials i temàtiques, ja que els resultats de la consulta requereixen visualització i alhora la visualització és el mitjà a través del qual s'efectuen les consultes interactives. Així, se sol distingir entre la simple visualització de les dades i l'elaboració de documents cartogràfics de qualitat per a presentació.

La visualització consisteix essencialment a generar productes gràfics efímers que es consumeixen interactivament, sense el grau d'elaboració dels productes acabats de presentació. En aquest sentit, inclou operacions diverses de selecció de continguts, forma de presentació i simbolització. Quant als tipus de productes de visualització els més habituals són:

  • la visualització cartogràfica en 2D per mitjà de capes consultables interactivament, en forma dels diversos tipus de mapes de localització o temàtics.
  • la visualització 3D, per mitjà de blocs diagrama (perspectiva 3D), d'extrusió 3D d'elements 2D o 3D, i de globus virtuals.
  • la visualització de perfils i talls topogràfics.
  • la visualització de les dades temàtiques mitjançant gràfics estadístics, encara que la capacitat dels SIG en aquest aspecte sol ser molt bàsica i sovint cal elaborar-los externament.

La consulta cobreix tant l'exploració directa de les dades, com la interrogació interactiva i, sobretot, la selecció per condicions temàtiques o espacials o la combinació d'ambdues. La consulta, i també la visualització, pot requerir fer explícites relacions que existeixen a les dades, ja que en les bases de dades la majoria de relacions són possibles segons el disseny però no s'estableixen i emmagatzemen de forma permanent, sinó que es fan efectives a mesura que es necessiten per a resoldre consultes o explotacions de les dades. D'altra banda el criteri bàsic per a diferenciar les operacions de consulta de les operacions d'anàlisi és el fet de no generar noves dades derivades com a resultat de l'operació, sinó simplement recuperar dades existents.

Així, les principals operacions de consulta, o relacionades amb la realització de consultes, en els SIG són:

  • la unió relacional(join) de taules.
  • la vinculació de taules quan la unió relacional no és possible.
  • la interrogació interactiva dels elements de les capes.
  • la selecció per atributs.
  • la selecció espacial, per condicions com distància, contenció, encavalcament, etc.
  • la unió espacialper establir correspondències entre els elements de diferents conjunts de dades segons diversos tipus de condicions espacials.

Anàlisi

Les operacions d'anàlisi són per a molts la funcionalitat distintiva dels sistemes d'informació geogràfica. En els SIG les operacions d'anàlisi es caracteritzen per ser operacions que produeixen noves dades, en particular dades espacials, a partir de dades existents aplicant determinats criteris, funcions o condicions espacials.

Deixant a part les operacions sobre els atributs temàtics, la majoria de les operacions d'anàlisi dels SIG són de caràcter espacial, però seria una simplificació excessiva dir que són operacions d'anàlisi espacial, ja que l'anàlisi espacial és només una de les famílies d'operacions d'anàlisi implementades en els SIG. D'altra banda, certs tipus particulars de dades espacials, com els models digitals d'elevacions o les xarxes lineals, donen lloc a famílies diferenciades d'operacions d'anàlisi, com l'anàlisi del terreny o l'anàlisi de xarxes, amb mètodes i operacions molt específiques. Així, es poden distingir els següents grans grups d'operacions d'anàlisi en els SIG, els quatre primers de caire espacial i l'últim purament alfanumèric:

  • Geoprocessament i anàlisi cartogràfica
  • Anàlisi del terreny
  • Anàlisi de xarxes
  • Anàlisi espacial
  • Anàlisi dels atributs temàtics

Geoprocessament i anàlisi cartogràfica

Les operacions de geoprocessament o d'anàlisi cartogràfica són operacions generals, no especialitzades, sobre les dades espacials que generen com a resultat un nou conjunt de dades geoespacials a partir d'un o més conjunts de dades inicials mitjançant l'aplicació de mètodes geomètrics de derivació o combinació. En bona part, les operacions de geoprocessament són operacions que constitueixen la implementació digital de les operacions manuals tradicionals d'anàlisi cartogràfica. Tal com s'ha anat indicant, algunes de les operacions de geoprocessament, segons la finalitat amb què s'apliquen, poden servir tant per a resoldre necessitats d'anàlisi com de manipulació de dades.

Com a principals operacions de geoprocessament cal indicar:

  • la superposició o intersecció geomètrica de dos o més conjunts de dades, que és l'operació fonamental d'integració o interrelació espacial. Segons l'abast espacial i la diferent geometria dels elements que intervenen hi ha diferents tipus de superposició específics.
  • l'agregació espacial, que combina elements contigus d'un mateix conjunt de dades segons un criteri d'igualtat temàtica, i que sol anar associada a la reclassificació dels atributs temàtics.
  • les operacions d'actualització, buidat,retallada i descomposició, basades en la superposició, que substitueixen, esborren, retallen o separen els elements d'un conjunt de dades en funció dels elements d'un altre conjunt de dades.
  • l'extracció d'elements d'un conjunt de dades en un nou conjunt de dades per mitjà d'una selecció per atributs o per condicions espacials.
  • l'anàlisi de distància, que comprèn diversos tipus d'anàlisi:
    •  càlcul d'àrees d'influència (buffers)
    •  càlcul d'àrees de proximitat (polígons de Thiessen)
    • càlcul de l'element més proper
    • càlcul de la matriu de distàncies entre elements
  •  l'anàlisi de superfícies de cost, que calcula la distància i el cost de desplaçament tenint en compte la dificultat del desplaçament a través d'una superfície de cost.

La implementació digital de les operacions d'anàlisi cartogràfica en els SIG donar lloc, sobretot en el cas de les dades ràster, al concepte d'àlgebra de mapes. És a dir, el d'un sistema d'operacions que permet operar mapes entre si per a generar nous mapes. Més enllà del nom, però, l'àlgebra de mapes no constitueix una àlgebra en el sentit formal, matemàtic, del terme.

Anàlisi del terreny

L'anàlisi del terreny és el conjunt d'operacions d'anàlisi que deriven de la representació del relleu en forma de model digital d'elevacions i que comprèn un gran nombre d'operacions de diferents tipus:

  • anàlisi topogràfica, consistent en el càlcul de derivades de la superfície del relleu:
    • pendent: gradient i orientació
    • curvatura: convexitat i concavitat
    • rugositat
    • perfils topogràfics
    • càlcul de volums i de moviments de terres
  • anàlisi d'il·luminació:
    • il·luminació analítica
    • insolació
  • anàlisi de visibilitat:
    • intervisibilitat entre punts
    • conques visuals de múltiples observadors
  • anàlisi hidrològica:
    • direcció de flux
    • acumulació de flux i extracció de xarxes de drenatge
    • conques de drenatge
  • anàlisi geomorfològica:
    • extracció d'elements estructurals del relleu
    • classificació de la morfologia del relleu mitjançant anàlisi estadística multivariable

Anàlisi de xarxes

L'anàlisi de xarxes és el conjunt d'operacions d'anàlisi, basades en la teoria de grafs, que exploten la relació topològica de connectivitat entre els elements -arcs i nodes- que formen una xarxa.

Dins de les operacions d'anàlisi de xarxes, es pot diferenciar entre les anàlisis basades exclusivament en la connectivitat (per exemple, el traçat de xarxes per a determinar les parts connexes d'una xarxa) i les que incorporen a l'anàlisi l'acumulació d'algun atribut associat als elements de la xarxa com és ara la distància, el temps o el cost de desplaçament a través de la xarxa (per exemple, l'anàlisi de rutes òptimes):

  • anàlisi de connectivitat:
    • traçat de xarxes
  • anàlisi de cost:
    • rutes òptimes, amb les diverses variants (entre dos punts, al llarg de punts intermedis, problema del viatjant, circuit de Paul Revere, etc.)
    • recurs més proper
    • matriu de camins mínims
    • anàlisi d'accessibilitat

Anàlisi espacial

En sentit ampli és corrent considerar anàlisi espacial totes les operacions espacials d'anàlisi, incloses les operacions geomètriques de geoprocessament i les topològiques d'anàlisi de xarxes, així com l'anàlisi estadística multivariable de dades d'atributs temàtics de les entitats espacials, que en si mateixa no és cap anàlisi de dades espacials.

Tanmateix, l'anàlisi espacial en sentit estricte comprèn només els mètodes i tècniques quantitatives d'anàlisi dels patrons de les distribucions en l'espai i avaluació d'hipòtesis sobre aquests patrons (estadística espacial), d'anàlisi de la variació espacial i estimació de magnituds espacials en base a la localització (geoestadística), incloent les diverses famílies de models espacials, que conformen l'anàlisi espacial clàssica o anàlisi locacional en la tradició de la geografia quantitativa. L'anàlisi espacial és, doncs, anterior i independent dels sistemes d'informació geogràfica, per bé que moltes de les operacions d'anàlisi espacial han estat implementades en els SIG:

  • estadística espacial:
    • anàlisi de distribucions espacials:
      • anàlisi de patrons de distribució espacial:
        • anàlisi de quadrats
        • anàlisi del veí més proper
        • anàlisis basades en àrees de proximitat
      • anàlisi d'agrupaments espacials
    • anàlisi de la variació espacial d'atributs temàtics
      • mesures descriptives de la variació espacial
      • anàlisi de patrons de variació espacial
        • autocorrelació espacial
        • regressió lineal ordinària
        • regressió ponderada geogràficament
      • anàlisi d'agrupaments de la variació espacial
  • geoestadística i altres mètodes d'interpolació espacial
  • models espacials:
    • models predictius
    • models d'interacció espacial
    • models de difusió espacial
    • models de simulació

Anàlisi dels atributs temàtics

L'anàlisi dels atributs temàtics, sense consideracions de distància ni de relacions espacials com en el cas de l'anàlisi espacial, es limita a mètodes d'anàlisi numèrica, entre els quals destaquen els mètodes d'anàlisi estadística:

  • operacions de càlcul aritmètic i funcions matemàtiques
  • anàlisi estadística(no espacial):
    • estadística descriptiva i exploratòria
    • estadística inferencial
    • estadística multivariable
      • models explicatius
      • classificació multivariable
    • estadística bayesiana
  • anàlisi de dades difusa, basada en la teoria de conjunts difusos i la lògica difusa.

La disponibilitat de les operacions d'anàlisi estadística i d'anàlisi de dades difusa, és desigual en els programes de SIG. Especialment, en el cas de les anàlisis estadístiques més complexes i sofisticades, sol ser necessari extreure les dades dels atributs i efectuar les anàlisis amb programes d'estadística externs.

Presentació cartogràfica

La presentació cartogràfica en els SIG està formada pel grup d'operacions que té per finalitat la producció de documents de qualitat, més enllà de la simple visualització efímera en pantalla, per a visualitzar i comunicar la informació, típicament en forma de mapes.

El procés d'elaborar el document d'un mapa de presentació s'anomena edició cartogràfica i és un procés interactiu que inclou la simbolització de les capes que formen el mapa, el disseny gràfic de la composició de pàgina del document, i l'entrada i manipulació gràfica de tots els elements del la composició que acompanyen el mapa (títol, llegenda, escala, textos, mapes auxiliars, etc.).

La riquesa, sofisticació, qualitat i grau d'interactivitat dels recursos que ofereixen els programes de SIG per a les diverses operacions de l'edició cartogràfica (simbolització de capes i elaboració de la composició) és molt variable segons els programes, des dels més complets que permeten elaborar productes professionals de publicació fins als més elementals que a penes permeten elaborar una composició de pàgina o que no permeten més opcions de simbolització que alguns tipus de mapes bàsics. En els més sofisticats, fins i tot és possible emmagatzemar i manipular les presentacions de les dades a efectes de generalització cartogràfica sense haver d'alterar les dades.

Publicació de serveis de mapes i altres geoserveis a Internet

La publicació de serveis de mapes webi d'altres tipus de serveis d'informació geoespacial, o geoserveis, a Internet requereix disposar de programari servidor especialitzat que permeti construir les aplicacions web que generen el servei de mapes web i atenen les peticions dels usuaris remots generant els resultats corresponents a cada petició.

El programari de SIG corrent pot servir per a simbolitzar les capes dels serveis de mapes i generar la configuració del servei que després utilitzarà el programa servidor de mapes, procés que es coneix com a procés d'autor.

Tipologia funcional del programari de SIG

Arquitectures dels sistemes d'informació

La funcionalitat d'un sistema d'informació, i en general la de qualsevol programa informàtic, es pot descompondre en tres grans blocs d'operacions:

  • gestió de dades: escriptura i lectura per a l'emmagatzematge i recuperació de les dades.
  • processament: funcions per a produir resultats o modificacions de les dades.
  • presentació: interfície d'usuari per a interactuar amb el programa a fi d'introduir instruccions i veure resultats.

L'organització d'aquests tres blocs d'operacions, juntes en un mateix programa o separades en diferents programes que actuen coordinadament, és el que s'anomena arquitectura dels sistemes d'informació. Històricament els sistemes d'informació han evolucionat des dels programes autònoms, que realitzen totes les funcions en un sol programa (arquitectura d'un nivell), fins a les arquitectures orientades a serveis (SOA) a través del web, en què els tres blocs d'operacions estan separats en diferents programes especialitzats en només un tipus d'operacions.

 

Arquitectures de sistemes d'informació: arquitectura d'un nivell: programa autònom; arquitectura de dos nivells o client-servidor: servidor de dades (sistema de gestió de bases de dades) i aplicacions client d'escriptori; arquitectura de tres nivells o orientada a serveis: servidor de dades, servidor d'aplicacions i aplicacions client web.
Font: Elaboració pròpia.

L'aparició dels sistemes de gestió de bases de dades a la dècada de 1970 va permetre separar l'emmagatzematge de les dades respecte de les aplicacions i fer possible el desenvolupament d'aplicacions multiusuari i l'accés uniforme i independent a les dades de múltiples aplicacions alhora, tot permetent que les aplicacions es concentressin en el processament i la presentació de la informació. L'aparició dels servidors d'aplicacions web, o serveis web, a finals de la dècada de 1990 ha permès la separació completa dels tres components funcionals i independitzar la presentació respecte del processament, fent possible que les aplicacions d'usuari final, en forma d'aplicacions web, no hagin de tenir capacitat de processament i es puguin usar des de plataformes simples i generals com els navegadors web. Això permet l'ús simultani i remot de les dades per part de molts més usuaris sense programes de gestió de dades ni de processament.

Cada una d'aquestes separacions ha augmentat la independència, l'especialització i l'eficiència dels diferents components de programari, la interoperabilitat entre els programes i la capacitat d'ús simultani i remot per part de més usuaris, amb menors costos i requeriments funcionals de les aplicacions d'usuari final. Fonamental en aquest procés ha estat el fet de deixar d'emmagatzemar les dades en fitxers, que no permeten l'edició concurrent de les dades i obliguen a dependre dels formats dels fitxers; i el posterior desenvolupament de la funcionalitat de processament en forma de serveis, que permet que els clients finals siguin només interfícies d'interacció i de presentació. Sense arquitectures client-servidor no és possible implementar sistemes d'informació corporatius, per al conjunt de tota una organització, i sense arquitectures orientades a serveis no és possible oferir l'ús de la informació fora d'una mateixa organització, en última instància al públic en general, ni fer eficient i econòmicament viable la implementació de sistemes d'informació corporatius.

Un efecte addicional, de caire social, de l'abaratiment de costos i facilitat d'accés remot a la informació resultant de l'evolució de la tecnologia, juntament amb el desenvolupament del programari lliure, ha estat l'ús de la tecnologia per part del públic en general, d'usuaris no experts i de col·lectius i organitzacions amb pocs recursos econòmics que han portat a desenvolupar formes de treball col·laboratiu i participatiu.

Els sistemes d'informació geogràfica han seguit aquesta evolució amb un cert retard, sobretot pel que fa a l'ús generalitzat de bases de dades espacials. En canvi, van incorporar des del primer moment el desenvolupament de servidors d'aplicacions web, sobretot de servidors de mapes web. Conseqüentment el programari de SIG s'ha anat especialitzant, han aparegut nous tipus de programari específic per a determinades funcions, mentre que el programari tradicional de SIG, inicialment programes autònoms de manipulació i presentació de dades, s'ha anat adaptant a la funció de programari client, tant de dades com de serveis web, sense perdre la capacitat de funcionar encara autònomament mitjançant fitxers. Tot seguit es descriuen els principals tipus de programari de SIG, tant actuals com pretèrits, avui ja obsolets.

Programari de cartografia

El programari de cartografia, o de cartografia assistida per ordinador, és un tipus de programari desenvolupat per a informatitzar el procés de producció del dibuix cartogràfic i l'elaboració de mapes temàtics, sense funcionalitat d'anàlisi ni de manipulació de dades espacials, i amb una capacitat variable de dibuix o de digitalització.

Els primers programes de cartografia assistida per ordinador es van desenvolupar a la dècada de 1960. El programari de cartografia assistida per ordinador incloïa en el seu origen tant els programes per a producció de cartografia general com els programes específics per a l'elaboració de mapes temàtics. L'evolució posterior, però, ha portat a utilitzar programes de disseny assistit per ordinador (CAD), o programes especialitzats de disseny o de SIG, per a la producció de cartografia general, mentre que el programari de cartografiatemàtica va desaparèixer arran de l'aparició dels programes de SIG d'escriptori a mitjans de la dècada de 1990.

Els programes de cartografia per a elaborar mapes temàtics solien emprar una estructura de dades simple, basada en fitxers, per a emmagatzemar els elements cartogràfics i fitxers o taules per a emmagatzemar els atributs temàtics per a simbolitzar els elements.

Els programes de cartografia assistida per ordinador han estat molt utilitzats des dels inicis de la informatització de la cartografia i del desenvolupament dels SIG per a elaborar mapes de dades socioeconòmiques i mapes estadístics, tot i que sovint no disposaven de funcions per a dibuixar ni modificar la geometria dels elements dels conjunts de dades geoespacials, que calia adquirir del distribuïdor del programa o produir amb altres programes del mateix fabricant o d'altres fabricants.

Visualitzador

Un visualitzador és un tipus de programari de SIG de funcionalitat reduïda, limitada a la visualització i la consulta de dades geoespacials i, eventualment, de dades alfanumèriques associades.

Un visualitzador pot ser una aplicació local independent o, més sovint, un client dins d'un entorn client-servidor, o bé un client web.

L'aparició dels visualitzadors a mitjans de la dècada de 1990 va ser molt important per a propiciar el desenvolupament dels programes de SIG d'escriptori, ja que van suposar un nou paradigma de programari de SIG, orientat a l'ús de la informació (veure dades sense modificar-les) en lloc de l'orientació anterior predominant de manipulació de dades. Per poder crear visualitzadors, i posteriorment programes de SIG d'escriptori, va ser necessari desenvolupar les funcions de consulta interactiva, el concepte de capa definit per l'ús de la informació (cada una de les possibles visualitzacions d'un conjunt de dades) i no per l'emmagatzematge, i interfícies d'usuari amigables i interactives, basades en finestres, menús i icones.

Posteriorment, des de finals de 1990, el desenvolupament de la tecnologia de SIG a Internet mitjançant servidors de mapes web ha comportat el desenvolupament d'una segona generació de visualitzadors, els visualitzadors web, que són aplicacions web client lleugeres, necessàries per a poder veure i consultar els serveis de mapes web i altres geoserveis.

La transformació dels visualitzadors en programes de SIG d'escriptori, per augment de la funcionalitat, i la gran difusió dels serveis de mapes web, sobretot dels serveis de mapes estàndard com WMS i altres, han fet en gran part innecessaris els visualitzadors d'escriptori, que han resultat substituïts per SIG d'escriptori o visualitzadors web, segons les necessitats d'utilització de les dades, en cada cas.

SIG d'escriptori

Un programa de SIG d'escriptori és un tipus de programari de SIG de funcionalitat mitjana que es caracteritza per interfícies d'usuari amigables i una utilització relativament autònoma en ordinadors personals, que cobreix les tasques de consulta temàtica i espacial, de presentació cartogràfica i, amb més o menys limitacions, d'edició i d'anàlisi de les dades espacials.

Els programes de SIG d'escriptori van aparèixer a mitjan dècada de 1990 com a resultat de l'augment de funcionalitat dels programes de cartografia temàtica i del desenvolupament, en paral·lel, de visualitzadors complementaris dels sistemes d'informació geogràfica professionals. Amb el temps, la funcionalitat dels programes de SIG d'escriptori ha anat creixent i actualment són el client habitual en un entorn client-servidor, i, a més, constitueixen el programari de SIG més popular i difós.

Donada la seva llarga evolució i constant adaptació, els programes de SIG d'escriptori es poden utilitzar autònomament en arquitectures d'un nivell basades en fitxers, o bé com a clients de bases de dades espacials en arquitectures client-servidor otambé com a clients de serveis de mapes en arquitectures de tres nivells, la qual cosa els proporciona una gran versatilitat i capacitat de treball que permet combinar dades locals i remotes.

El programari de SIG d'escriptori ha donat lloc a l'anomenat paradigma d'escriptori, que correspon a l'arquitectura client-servidor de sistemes d'informació geogràfica, basada en servidors de dades (bases de dades espacials) en xarxa local i en clients de SIG d'escriptori amb funcionalitat àmplia. El paradigma d'escriptori es contraposa a l'anomenat paradigma d'Internet, que correspon a l'arquitectura d'un sistema d'informació geogràfica basada en servidors de dades, servidors d'aplicacions web i clients web lleugers, amb funcionalitat de visualització i consulta, en forma de pàgines HTML que es reben i permeten interactuar des d'un navegador web.

SIG professional

Un SIG professional és un tipus de programari de SIG que proporciona funcionalitat completa i avançada d'entrada, manipulació, anàlisi i presentació de dades geoespacials, tot i que el ventall de funcionalitat pot variar entre els diferents fabricants.

Un programa de SIG professional opera directament sobre les dades, localment en fitxers o en entorns client-servidor. Històricament, ha estat el primer tipus de programari de SIG a ser desenvolupat i distribuït comercialment. Actualment és un SIG d'escriptori de màximes prestacions.

SIG en components

SIG en components és el programari de SIG format per biblioteques de funcions de SIG, típicament en forma d'objectes, que serveixen per a desenvolupar aplicacions personalitzades d'usuari final.

El programari de SIG en components no constitueix un programa que l'usuari final pugui utilitzar directament, sinó un producte per a desenvolupadors de programari.

El SIG en components va aparèixer a mitjan dècada de 1990 arran de la progressiva integració dels SIG amb el conjunt de tecnologies de la informació per a oferir eines de programació que permetessin incorporar funcionalitat de SIG a les aplicacions generals de gestió o crear aplicacions amb la funcionalitat de SIG necessària per a les tasques a realitzar, en lloc de personalitzar programes de SIG complets, que tenen més funcionalitat (i cost) de la necessària. En molts casos, els mateixos programes de SIG complets estan programats amb les mateixes biblioteques de funcions o objectes que, distribuïdes sense programar, formen els SIG en components.

Fins a la generalització dels SIG web i de les aplicacions web de SIG, els SIG en components han estat la principal eina de desenvolupament d'aplicacions de SIG d'escriptori d'usuari final.

Bases de dades espacials

Una base de dades espacial, també anomenada geobase de dades en determinats contextos, és programari de gestió de bases de dades que permet emmagatzemar i consultar el component espacial de la informació geogràfica juntament amb el component temàtic de forma unificada en una mateixa base de dades, generalment de tipus relacional o relacional orientada a objectes. És a dir, una base de dades espacial permet emmagatzemar i interrogar la geometria dels elements espacials en taules com un atribut més, igual que la resta d'atributs temàtics de l'entitat representada a la taula.

Per tal de poder emmagatzemar i consultar la geometria com un atribut més d'una taula, les bases de dades espacials necessiten incorporar coneixement espacial per tal de reconèixer i entendre tipus de dades espacials, disposar de mètodes per a processar i resoldre consultes espacials i oferir a l'usuari un llenguatge de consulta de tipus declaratiu, per mitjà del qual l'usuari només hagi d'especificar les condicions que defineixen el resultat, no el procediment per obtenir-lo, com en una base de dades alfanumèrica convencional. Aquesta incorporació de coneixement espacial ha estat possible sobretot en els sistemes de gestió de bases de dades relacionals orientats a objectes, ja que els sistemes de gestió de bases de dades relacionals estrictes presenten limitacions importants per a poder emmagatzemar geometria i desenvolupar llenguatges de consulta espacial.

La definició de tipus de dades espacials, sovint anomenats geometria o element (feature), i d'un llenguatge de consulta espacial ha estat el resultat de nombrosos intents tant des del món dels sistemes d'informació geogràfica (SIG) com des de l'àmbit dels sistemes de gestió de bases de dades (SGBD). L'impuls decisiu ha vingut donat a partir de 2003 amb l'especificació de l'estàndard Simple Feature Access (SFA), revisat el 2004, que és alhora estàndard d'ISO (ISO 19125) i d'Open Geospatial Consortium (OGC).

Arquitectura client-servidor (dos nivells). Font: Elaboració pròpia.

En alguns casos, la base de dades espacial és una extensió del mateix sistema de gestió de bases de dades que fa la funció de servidor de dades espacials. En d'altres casos la funcionalitat de base de dades espacials s'aconsegueix amb programari  intermediari  servidor de dades espacials que  permet  emmagatzemar i  recuperar dades espacials en les taules d'un sistema de gestió de bases de dades alfanumèriques i que fa d'interfície entre les aplicacions de SIG clients i el sistema de gestió de bases de dades.

Programari de SIG web

El programari de SIG web, o programari servidor d'aplicacions de SIG, és programari de SIG intermediari que proporciona funcionalitat de SIG a les aplicacions web i permet desenvolupar el segment servidor de serveis i d'aplicacions de SIG a Internet en arquitectures de tres nivells.

Arquitectura orientada a serveis (tres nivells). Font: Elaboració pròpia.

El tipus de programari de SIG web més comú són els servidors de mapes web. Un servidor de mapes web és un tipus de programari intermediari que genera mapes i els actualitza dinàmicament en resposta a les peticions de les aplicacions clients a través d'Internet. Els servidors de mapes solen estar implementats com a aplicacions d'interfície comuna de passarel·la (CGI), miniaplicacions de servidor (servlets), miniaplicacions de Java (applets) o altres. Des de mitjans de la dècada de 2000, la majoria de serveis de mapes s'implementen segons l'estàndard WMS (Web Map Service) d'OGC.

Un altre tipus de programari servidor d'aplicacions de SIG és el servidor de geoprocessament, que realitza operacions de geoprocessament a partir de peticions dels clients de SIG web. Això permet realitzar operacions de SIG d'anàlisi de dades espacials de forma remota. Aquest tipus de tecnologia és encara bastant incipient, si bé ja hi ha algun producte comercial que l'ofereix i també existeix el corresponent estàndard d'OGC (WPS, Web Processing Service).

SIG mòbil

SIG mòbil és el programari de SIG concebut per a dispositius mòbils, generalment de mà o de dimensions reduïdes, amb funcionalitats de visualització i d'edició de dades per a treball de camp que sovint es combinen amb un receptor de GPS incorporat en el dispositiu i amb comunicacions sense fil per a rebre les dades geoespacials. Els SIG mòbils solen utilitzar interfícies d'usuari molt simplificades basades en pantalles tàctils.

Un altre tipus d'aplicacions de SIG mòbil són els serveis basats en la localització. Es tracta d'aplicacions destinades al públic en general o a col·lectius específics que proporcionen informació específica de llocs en funció de la localització d'un dispositiu sense fil.

Altre programari relacionat amb els SIG

Els SIG es complementen amb altres tipus de programari especialitzat que genera o utilitza dades geoespacials o simplement espacials, o bé que permet la gestió de bases de dades. Entre el programari relacionat amb els SIG cal destacar:

  • programari de disseny assistit per ordinador (CAD o DAO): són programes generals de dibuix tècnic. En el context de la informació geoespacial, s'utilitzen per a la producció de cartografia digital.
  • programari de teledetecció: són programes de processament digital d'imatges, especialitzats en el tractament d'imatges de  satèl·lit. Alguns programes de SIG incorporen la funcionalitat més bàsica de processament d'imatges dels programes de teledetecció.
  • sistemes de gestió de bases de dades: són programes d'informàtica general especialitzats en l'organització, emmagatzematge, gestió, modificació, recuperació i seguretat de les dades en una base de dades, d'acord amb un determinat model de dades subjacent. Els SIG els utilitzen per a la gestió de les dades d'atributs temàtics o, en el cas de les bases de dades espacials, per a la gestió de tota la informació geoespacial, tant de les dades espacials com temàtiques.
  • programes de tractament de dades de GPS: són programes per a realitzar operacions auxiliars sobre les dades captades mitjançant receptors de GPS, com és ara correcció diferencial, planificació de la recollida de dades, conversió de formats, etc.
  • programes de topografia digital: són programes per a operar amb dades de mesuraments topogràfics i aplicar mètodes específics de topografia i enginyeria civil (geometria de coordenades o COGO). Es poden implementar com a subsistema en un SIG o en un programa de CAD, però també com a programa independent.
  • programes de fotogrametria digital: són programes per a la producció de cartografia digital mitjançant restitució fotogramètrica. Solen anar acoblats a programes de CAD.
  • programes d'estadística: són programes especialitzats en  l'anàlisi estadística general que permeten ampliar les possibilitats d'anàlisi estadística de les dades dels SIG.
  • programes de geoestadística: són programes especialitzats en la interpolació de dades espacials mitjançant mètodes de geoestadística. Alguns programes de SIG incoporen aquesta funcionalitat en un mòdul específic propi.

Principals orientacions funcionals en la utilització dels SIG

Hi ha dues maneres principals d'utilitzar els SIG:

  • utilització dels SIG en mode producte: és l'ús dels SIG orientat a l'anàlisi o planificació. Implica tasques complexes, singulars i interpretatives. Es caracteritza per la complexitat de les operacions d'anàlisi. La utilització del SIG és singular, restringida a les finalitats d'un projecte específic. Genera informació molt elaborada, en forma de productes estables (mapes, llistats,...) que s'interpreten o aprofiten de forma diferida, no interactiva. L'usuari final interacciona més amb els productes que amb el sistema d'informació. Requereix usuaris experts, que coneguin a fons la funcionalitat del SIG.
  • utilització dels SIG en mode consulta: és l'ús dels SIG orientat a la gestió. Les tasques a realitzar són simples, repetitives, informatives o executives. Planteja una major necessitat d'operacions eficients de recuperació interactiva de la informació. La utilització del SIG és regular i s'enquadra en el funcionament quotidià d'una organització. Recupera informació enregistrada o poc elaborada en resposta a preguntes i productes simples i ben definits. Genera productes molt més efímers, d'aprofitament immediat. L'usuari final interacciona directament amb el sistema. L'usuari final és un usuari no expert que necessita aplicacions personalitzades. L'usuari expert s'encarrega de l'administració de la base de dades i de la programació d'aplicacions a mida.

La taula següent resumeix les principals implicacions de la utilització dels SIG orientada a anàlisi o a gestió, pel que fa a la informació, necessitats de planificació del sistema i requeriments d'interactivitat, personalització i funcionalitat.

Implicacions de la utilització dels SIG orientada a anàlisi o a gestió. Font: Elaboració pròpia.

Laurini and Thompson (1992) donen una classificació més detallada dels principals tipus d'orientacions de la utilització dels SIG, que es caracteritzen pel predomini d'una o altra funcionalitat i que permet diferenciar més els diversos tipus d'utilització dels SIG orientada a l'anàlisi:

  • producció de cartografia: informatització del dibuix per a produir dades cartogràfiques digitals i documents de publicació.
  • cartografia temàtica: elaboració de mapes de presentació de dades temàtiques, cartografia estadística, atles.
  • anàlisi cartogràfica: resolució de tasques d'anàlisi amb operacions de geoprocessament com la superposició.
  • anàlisi espacial: càlcul d'estadístics espacials a partir de propietats i relacions espacials de les entitats o fenòmens.
  • modelització espacial: aplicació de models estadístics o matemàtics per a predicció o simulació.
  • gestió de dades: organització i manteniment de bases de dades per a obtenir d'informació en resposta a consultes i tasques específiques.
  • visualització i consulta: exploració del contingut d'informació i navegació sobre el mapa per a resoldre tasques ocasionals. Actualment realitzada principalment per mitjà d'aplicacions web de serveis de mapes.

Orientacions funcionals dels SIG. Font: Adaptat de Laurini and Thompson (1992).

La taula següent resumeix la funcionalitat requerida i predominant en cada una de les diferents orientacions funcionals d'utilització dels SIG.

Funcionalitat predominant en les diferents orientacions funcionals dels SIG.
Font: Elaboració pròpia.

 

Temes relacionats

Referències

Abler, R. (1987) "The National Science Foundation National Center for Geogra­phic Information and Analysis", International Journal of Geographic Information Systems, 1, 4, 303-326.

Aronson, P. (1987) "Attribute handling for geographic information systems" in Chrisman, N.R. (ed.) Proceedings of the Eighth International Symposium on Computer-Assisted Cartography, AUTO-CARTO 8, Baltimore, 1987. Falls Church, Virginia: ASPRS-ACSM.

Aronson, P. and Morehouse, S. (1983) "The ARC/INFO Map Library. A design for a digital geographic database" in Proceedings of the Sixth International Symposium on Computer-Assisted Cartography, AUTO-CARTO 6, 1983. Falls Church, Virginia: ASP-ACSM.

Bickmore, D.P. and Shaw, M.A. (1963) Atlas of Great Britain and Northern Ireland. Oxford: Clarendon Press.

Burrough, P.A. (1986) Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment, Oxford: Clarendon Press.

Chrisman, N. (1988) "The risks of software innovation: a case study of the Harvard Lab", The American Cartographer, 15, 3, 291-300

Conolly, J. and Lake, M. (2006) Geographical Information Systems in Archaeology. Cambridge: Cambridge University Press.

Cook, B.G. (1978) "The structural and algorithmic basis of a geographic data base" in Dutton, G. (ed.) Harvard papers on geographic information systems: First International Advanced Study Symposium on Topological Data Structures for Geographic Information Systems. Vol. 4. Cambridge, Massachussets: Laboratory for Computer Graphics and Spatial Analysis, Harvard University.

Cooke, D. F. and Maxfield, W. H. (1967) "The Development of a Geographic Base File and its Uses for Mapping" in Urban and Regional Information Systems for Social Programs: Papers from the Fifth Annual Conference of the Urban and Regional Information Systems Association. Kent, Ohio: Center for Urban Regionalism, Kent State University.

Couclelis, H. (1992) "People manipulate objects (but cultivate fields): beyond the raster-vector debate in GIS" in Frank, A.U.; Campari, I. and Formentini, U. (eds.) Theories and methods of spatio-temporal reasoning in geographic space. Berlin: Springer Verlag.

Cowen, D.J. (1988) "GIS versus CAD versus DBMS: What are the differences?", Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 54, 11, 1551-1555.

Cowen, D.J. (1990) "Unit 1 - What is GIS?" in Goodchild, M.F. and Kemp, K.K. (eds.) NCGIA Core Curriculum in GIS. Santa Barbara, California: National Center for Geographic Informa­tion and Analysis, University of California at Santa Barbara.
http://www.geog.ubc.ca/courses/klink/gis.notes/ncgia/u01.html#UNIT1   [consulta 23 gener 2013]

Dangermond, J. (1983) "ARC/INFO. A modern GIS system  for large spatial data bases" in Proceedings of the American Congress of Surveying and Mapping Fall Meeting, 1983. Falls Church, Virginia: ACSM.

Dangermond, J. (1986) "Geographic database systems", Geo-Processing, 3, 1, 17-29.

Dangermond, J. and Smith, L.K. (1988) "Geographic information systems and the revolution in cartography. The nature of the role played by a commercial organization", The American Cartographer, 15, 3, 301-310.

Egenhofer, M.J. (2002) "Toward the semantic geospatial web" in Proceedings of the Tenth ACM International Symposium on Advances in Geographic Information Systems, McLean, Virginia.

ESRI (1990) Understanding GIS: The ARC/INFO Method, Redlands, California: Environmental System Research Institute.

Fonseca, F. and Sheth, A. (2002) "The Geospatial Semantic Web", UCGIS White Paper.

Foote, K.E. (1995) "Geographic Information Systems as an Integrating Technology: Context, Concepts, and Definitions" in Foote, K.E. and Lynch, M. (eds.) The Geographer's Craft Project. Boulder, Colorado:  Department of Geography, The University of Colorado at Boulder.  http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/intro/intro.html   [consulta 23 gener 2013]

Frank, A.U. (1984) "Requirements for database systems suitable to manage large spatial databases" in Marble, D.F. (ed.) Proceedings of the International Symposium on Spatial Data Handling, Zürich, 1984. Zürich: IGU Commission on Geographic Data Sensing and Processing.

Goodchild, M.F. (1990) "Spatial information science", in Proceedings, Fourth International Symposium on Spatial Data Handling, Zurich.

Goodchild, M.F. (1992) "Geographical Information Science", International Journal of Geographical Information Systems, 6, 1, 31-45.

Goodchild, D. (1997) "Unit 002 - What is Geographic Information Science?" in NCGIA (2000) NCGIA Core Curriculum in GIScience. Santa Barbara, California: National Center for Geographic Information and Analysis, University of California at Santa Barbara. http://www.ncgia.ucsb.edu/giscc/units/u002/u002.html    [consulta 23 gener 2013]

Jones, C. (1997) Geographical Information Systems and Computer Cartography. Harlow, UK: Longman.

Laurini, R. and Thompson, D. (1992) Fundamentals of Spatial Information Systems, London, UK, Academic Press Ltd.

Longley, P.A.; Goodchild, M.F.; Maguire, D. and Rhind, D.W. (2005) Geographic Information Systems and Science (2nd ed.), Chichester: Wiley.

Maguire, D.J. and Raper, J. (1990) "Design models and functionality in GIS" in Proceedings of the Seminar on GIS Design Models and Functionality. Leicester: Midlands Regional Research Laboratory, University of Leicester.

Marble, D.F. (1979) "Database management approaches to handling cartographic data", Panel discussion in Chamberlain, J.E. (ed.) Proceedings of the Third International Symposium on Computer-Assisted Cartography, AUTO-CARTO III, San Francisco, 1978. Falls Church, Virginia: ACSM.

Masser, I. (1988) "The Regional Research Laboratory initiative. A progress report", International Journal of Geographic Information Systems, 2, 1, 11-22.

NCGIA (1989) "The research plan of the National Center for Geographic Information and Analysis", International Journal of Geographic Information Systems, 3, 2, 117-136.

Nunes, J. (1991) "Geographic space as a set of concrete geographical entities" in Mark, D.M. and Frank, A.U. (eds.) Cognitive and Linguistic Aspects of Geographic Space. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic Publishers.

Peucker, T.K. and Chrisman, N. (1975) "Cartographic data structures", American Cartographer, 2, 1, 55-69.Rhind, D. (1988) "A GIS research agenda", International Journal of Geographic Information Systems, 2, 1, 23-28.

Peuquet, D.J. (1979) "Raster processing: an alternative approach to automated cartographic data handling", The American Cartographer, 6, 2, 129-139.

Rhind, D. (1988) "Personality as a factor in the development of a discipline. The example of computer-assisted cartography", The American Cartographer, 15, 3, 277-289.

Smith, C. (1967) "The New Haven Census Use Study: A General Description" in Urban and Regional Information Systems for Social Programs: Papers from the Fifth Annual Conference of the Urban and Regional Information Systems Association. Kent, Ohio: Center for Urban Regionalism, Kent State University.

Star, J. and Estes, J. (1990) Geographic Information Systems: An Introduction. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall.

Tobler, W.R. (1959) "Automation and cartography", Geographical Review, 49: 526-534.

Tomlin, C.D. (1990) Geographic Information Systems and Cartographic Modeling. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall.

Tomlinson, R.F. (1967) An Introduction to the Geographic Information System of the Canada Land Inventory. Ottawa: Department of Forestry and Rural Development.

Tomlinson, R.F. (1984) "Geographic Information Systems -- a new frontier", The Operational Geographer, 5, 31-35. [Reproduït a Peuquet, D.J. and Marble, D.F. (1990) (eds.) Introductory Readings in Geographic Information Systems. London: Taylor & Francis.]

Tomlinson, R.F. (1988) "The impact of the transition from analogue to digital cartographic representation", The American Cartographer, 15, 3, 249-261.

Wilson, J.P. and Fotheringham, A.S. (2007) The Handbook of Geographic Information Science. Malden, MA: Blackwell Publishing.

 

Lectures recomanades

Burrough, P.A. and  McDonnell, R.A. (1998) Principles of Geographical Information Systems, (2nd. edition) Oxford, UK, Oxford University Press. 

Laurini, R. and Thompson, D. (1992) Fundamentals of Spatial Information Systems, London, UK, Academic Press Ltd.

Longley, P.A.; Goodchild, M.F.; Maguire, D. and Rhind, D.W. (2005) Geographic Information Systems and Science (2nd ed.), Chichester: Wiley.