Técnicas de Cartografía Digital '01 - Actas de Sesiones del Taller
U.S. Geological Survey, Archivo-Abierto, Informe 01-223

Informe de Avance sobre la Base de Datos Nacional de Cartografía Geológica, Fase 3: Una Base de Datos de Información Cartográfica en Línea

Por David R. Soller¹, Ron Wahl², Jerry Weisenfluh³, Boyan Brodaric⁴, Jordan Hastings⁵, Robert Laudati⁶, and Roger Fredericks⁷

1U.S. Geological Survey 908 National Center Reston, VA 20192 Telephone: (703) 648-6907 Fax: (703) 648-6937 e-mail: drsoller@usgs.gov 2U.S. Geological Survey e-mail: rwahl@usgs.gov 3Kentucky Geological Survey e-mail: jerryw@kgs.mm.uky.edu

4Pennsylvania State University and Geological Survey of Canada e-mail: brodaric@nrcan.gc.ca 5University of California, Santa Barbara e-mail: jordan@geog.ucsb.edu 6GE-Smallworld Systems, Inc. e-mail: robert.laudati@smallworld-us.com 7Techni Graphic Systems, Inc. e-mail: rogerf@tgstech.com

Las estipulaciones del acta de cartografía geológica de 1992 y sus reautorizaciones de 1997 y 1999 (PL106-148) requieren que el U.S Geological Survey (USGS) diseñe y construya una Base de Datos Nacional de Cartografía Geológica (en inglés National Geologic Map Database, NGMDB), con la asistencia de los servicios geológicos de los estados y otras entidades participantes en el Programa Cartográfico Nacional de Cooperación Geológica. Con posterioridad a la reunión de los principales arquitectos del NGMDB, se propuso un plan general para su diseño inicial y desarrollo (Soller y Berg, 1995); desde 1997 se han presentado algunas actualizaciones del plan, así como ampliaciones e informes de avance (por ejemplo, Soller y Berg, 2000, y el presente volumen).

El diseño del NGMDB identifica tres fases complementarias al proyecto. Puesto que muchos mapas geológicos aún no se encuentran en formato digital y debido a que muchas organizaciones los producen y distribuyen, se decidió primeramente identificar y catalogar todos los mapas con referencias a geociencias de los Estados Unidos, ya sea en papel o en formato digital. Esta primera fase consta de un catálogo de términos de búsqueda y es el aspecto más relevante del NGMDB; permite que los usuarios identifiquen si se han producido mapas en el área o el tema de su interés. Actualmente, el catálogo cartográfico cuenta con el soporte de dos bases de datos adicionales que fueron desarrollados bajo el proyecto NGMDB: 1) GEOLEX, que es un léxico de búsqueda de términos geológicos; y 2) Cartografía Geológica en Proceso, la cual ofrece información de proyectos cartográficos actuales. Cuando estos proyectos concluyan, los mapas generados serán incorporados en el catálogo cartográfico.

La segunda fase del proyecto se enfoca a la consulta pública de mapas geocientíficos, los cuales requieren el desarrollo de ciertos estándares de mapas digitales y lineamentos para mejorar la utilidad de dichos mapas digitales. Esta es una actividad sumamente importante que requiere de un alto nivel de interacción con todos los participantes para asegurar que cualquier estándar o lineamiento propuesto sea útil, necesario y ampliamente adoptado.

Aunque estas actividades producen información valiosa para el público y la comunidad geocientífica, la meta fundamental del proyecto NGMDB es crear una base de datos en línea que contenga mapas con información geológica, los cuales puedan ser consultados, adaptados para visualización de información, y descargados. Además, la información de mapas en de la base de datos sería un conjunto coherente compuesto por la mejor información compilada de varias referencias cartográficas. La base de datos se actualizaría cada vez que se publiquen nuevos mapas, pudiendo denominársele una base de datos "viviente" y dinámica. El diseño e implementación de esta base de datos constituye la tercera fase del proyecto. Se ha iniciado el trabajo en la tercera fase, lo cual constituye el presente tema.

CONCEPTOS GENERALES Y REQUERIMIENTOS

• Sea construida de diferentes mapas geológicos unidos en los bordes en diferentes escalas (la mayoría de estas escalas estándares son de 1:100,000 y 1:24,000, pero sin excluir otras escalas),
• Su manejo y acceso se realice como un cuerpo coherente de información cartográfica y no como una serie de mapas separados,
• Su actualización, sobre la marcha, se lleve a cabo por personal experto en mapas y/o un comité cuando la nueva información esté disponible, utilizando "antiguos" datos originales como versión de referencia,
• Se realice su estandarización, adhiriéndose a modelos estándares de datos con terminología y simbología científica, y
• Se encuentre disponible al público vía los navegadores en internet y las herramientas comunes de GIS (por ejemplo ArcExplorer).

PRIMEROS PASOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LA BASE DE DATOS

A fines de 1999, una serie de reuniones de planeación tuvo lugar entre el USGS, el Servicio Geológico de Kentucky (en inglés KGS), y los representantes de varias organizaciones del distrito electoral del estado, universidades y proveedores. Con posterioridad a las reuniones, se diseñó el segundo prototipo. Este esfuerzo abarcó un amplio espectro de expertos y colaboradores, según se observa en la lista de autores. Los distintos participantes convinieron en este trabajo porque el estado de Kentucky tiene:

• una gran cantidad de datos disponibles de mapas detallados (a escala 1:24,000), que habían sido estandarizados, unidos por los border y transformados en zonas cuadrangulares a escala 1:100,000,
• un marcado interés en diseñar un prototipo y en implementar un modelo de datos estándar, y
• probadas ventajas económicas a nivel estatal de la cartografía geológica.

Objetivos del prototipo "Kentucky"

1. Implementación del borrador conceptual estándar Norteamericano de modelo de datos geológico en una arquitectura orientada mediante objetos (en esta discusión, el término incluye arquitectura relacionada con el objeto). La versión actual del modelo de datos respaldado por el Comité Directivo del Modelo de Datos Norteamericano (http://geology.usgs.gov/dm/)), v.4.3, es relacional. Se seleccionó una arquitectura orientada al objeto para explorar su potencialmente mayor facilidad para representar y manejar la información espacial compleja. Debido a que la base de datos del mapa puede contener múltiples orígenes de mapas y versiones múltiples de mapas generados, toda vez que cada mapa es compilado en la base de datos, por lo tanto el sistema seleccionado de O-O debe ser capaz de manejar múltiples versiones de cada objeto en un mapa (por ejemplo, la franja de un afloramiento de la formación "X", tal y como lo muestran varios mapas de una región), y una gran cantidad de modificaciones editoriales a cada objeto como solicitado por los varios autores, compiladores y editores.


2. Manejo de la información derivada de múltiples mapas fuente. El Servicio Geológico de Kentucky (KGS) está llevando a cabo un programa para convertir a formato digital la cobertura estatal en su totalidad de los mapas geológicos publicados a escala 1:24,000 (Anderson y otros, 1999). Para este prototipo, se utilizaron algunas zonas de cuadrángulos para demostrar la capacidad del sistema.


3. Desarrollo y demostración de ciertas capacidades básicas de la base de datos para el manejo de datos y acceso al usuario. Por ejemplo:
   1. Demostración de los enlaces entre el prototipo de la base de datos cartográfica y las bases de datos relacionadas de geociencias (por ejemplo, la base de datos sobre petróleo y gas del KGS, el léxico de términos de geológicos del USGS). Conceptualmente, el usuario podría seleccionar una unidad del mapa y, una vez solicitado, ver el resumen de la información sobre el nombre de la unidad geológica, cuyo almacenamiento se efectúa en una base de datos separada.
   2. Desarrollo de la capacidad para que los usuarios puedan extraer áreas seleccionadas del prototipo de la base de datos cartográfica para bajarla a una computadora personal, en un formato de archivo seleccionable (por ejemplo, imagen georeferenciada o los shapefiles de ArcView).
   
   
4. Evaluación de la relación entre agencias "interdepartamentalidad", carácter colaborativo de este esfuerzo, especialmente mecanismos por los cuales las agencias pueden retener la propiedad de sus datos cuando mantenidos en una base de datos construida en forma común.

La primera tarea, la implementación de un modelo de datos orientado al objeto y la demostración de su conformidad con el Modelo Norteamericano de Datos, constituyó primordialmente el principal y supremo aspecto de este prototipo.

Resultados

1. Implementación del borrador conceptual estándar Norteamericano de modelo de datos geológico en una arquitectura orientada al objeto.

   Se concluyó el primer objetivo de implementación de un modelo de datos orientados al objeto y demostración de conformidad con el modelo de datos Norteamericano. Un resumen de este modelo de datos se proporciona en Hastings y Brodaric (2001), y se sintetiza brevemente:

   "Los NADM v4.2 y los modelos v4.3 fueron explícitamente diseñados en una notación de similitud al ERD y se han implementado en plataformas tradicionales, de DBMS relacionadas. Las extensiones canadienses v5.x tenían un "sabor" orientado al objeto, aunque éstas también, fueron desarrolladas en software relacionado. En contraste, nuestro trabajo reciente para el proyecto de NGMDB está firmemente orientado al objeto, y busca asimismo una igual implementación. Bajo este nuevo concepto, una base de datos de mapas geológicos abarca cuatro (próximas) clases superiores de objetos:

   • Símbolos: Las notaciones cartográficas utilizadas para representar los objetos (explícitos en la simbología del mapa y en la figura del mapa)
   • Conceptos: Los formalismos geológicos seleccionados para la representación, por ejemplo, formación y tipos de litología (implícitos en la construcción general del mapa)
   • Ocurrencias: Las realidades geológicas reconocidas en el campo, y/o laboratorio (resumidas en la simbología del mapa, y/o ejemplificadas en la figura del mapa)
   • Descriptores: Los valores digitales seleccionados para caracterizar símbolos, conceptos, y las ocurrencias en el mapa (por lo común aparentes/ derivados de la narrativa del mapa).

   Estos cuatro meta-objetos están relacionados en el núcleo del modelo que se presenta en el "diagrama de diamante" (Figura 1). En suma, los símbolos del mapa describen cartográficamente de múltiples maneras tanto los conceptos como las ocurrencias pueden simbolizarse en la figura del mapa, o si (también) numerosos, pequeños, densos o escasos, etc., pueden ser clasificados y simbolizados como un grupo concepto mediante la simbología. Las descripciones, que pueden ser ocasionales o normativas, pueden aplicarse a los Conceptos y a las Ocurrencias por igual, y también a los Símbolos según se requiera. Esta meta-estructura entera es infinitamente mutable, pero funciona esencialmente en dos direcciones fundamentales: elaboración de Conceptos, lo que conduce a la ontología geológica (lo que sabemos); y elaboración de ocurrencias, lo cual conduce a la epistemiología geológica (como lo sabemos)."

   Figura 1. Núcleo del modelo de meta información del mapa geológico. Las flechas rectilíneas indican relaciones entre los meta-objetos, y las flechas reflexivas indican jerarquías autoreferenciables dentro de las clases del meta-objeto.

   Este modelo de datos fue implementado en una probada base de datos/ sistema Geográfico de Información orientado al objeto, GE-Smallworld. [vea los detalles en http://www.gesmallworld.com/english/products/spatial/core.asp]. Este software, utilizado extensamente para el manejo de mapas/ bases de datos intrincadas en la industria de distribución de electricidad, fue probado para su aplicabilidad a objetos geológicos (por ejemplo, aspectos como fallas, contactos, así como unidades de mapa, y nombres regionales y puntos de muestreo). Los resultados preliminares son alentadores y el sistema de programación será mayormente explorado en el prototipo siguiente.

2. Manejo de información derivada de múltiples mapas fuente

   El segundo objetivo también fue concluido, mediante el cargado de cuatro zonas de cuadrángulos geológicos adyacentes a escala 1:24,000 y manejándolos tanto como entidades discretas y como una unidad coherente. En el futuro, un número substancial de tales mapas en Kentucky será cargado en el sistema, a fin de evaluar la capacidad de manejar, consultar y mostrar en pantalla una amplia colección de datos de mapa.

3. Desarrollo y demostración en la base de datos de ciertas capacidades para el manejo de la base de datos y acceso por el usuario El tercer objetivo fue tratado mediante una demostración de preguntas típicas y funciones que son factibles con este modelo de datos y de programa (incluyendo los ejemplos señalados antes en los objetivos). La demostración fue modelada en una sesión típica de usuario, como sigue:
   1. Muestra en pantalla un mapa de ubicación mostrando datos disponibles
   2. Selección de un área del mapa, enfoque y desplazamiento en la pantalla
   3. Muestra en pantalla y consulta de las bases de datos externas
   4. Realización de los análisis espaciales
   5. Generación de mapas derivados a partir de análisis
   6. Exportación de datos seleccionados del mapa
   7. Visualización de los datos exportados del mapa en diferentes visualizadores de GIS.

   La demostración fue realizada en vivo, a través del Internet, en una computadora portátil en Tuscaloosa, Alabama accesando el servidor del mapa GE-Smallworld en las oficinas de USGS en Denver, Colorado vía una línea T-1 (de 1.544 Megabytes por segundo). Varios miembros del público comentaron que el funcionamiento fue excelente.

   1. Muestra en pantalla de un mapa de ubicación que exhibe datos disponibles: En la Figura 2 se muestra un mapa general de Kentucky donde se destacan los datos disponibles del mapa. Esto demuestra un punto fundamental - los mapas pueden formar parte de otros mapas (por ejemplo un mapa de mapas) y estar interrelacionados. También, el sistema necesita almacenar perfiles de mapas, así como mapas básicos, en el modelo de datos; estos objetos del mapa se pueden relacionar con los metadatos respecto a los documentos fuente para facilitar las consultas sobre mapas.

      Figura 2. Mapa general que muestra el área del mapa prototipo. [tarea - muestra de capacidad para exhibir en pantalla el área de interés.]

   2. Selección de un área del mapa, enfoque y desplazamiento en la pantalla: La Figura 3 consiste en una vista detallada del área seleccionada del mapa en el paso 1. Con el fin de facilitar legibilidad durante las operaciones de enfoque, el nivel de detalle geológico debe estar adecuado al alcance de cobertura de visibilidad del mapa (por ejemplo en escalas más grandes, se mostrará mayor detalle). Esto requiere varios niveles de detalle de mapas que pueden accesarse a medida que el usuario aumenta el nivel de magnificaci?n. También, los símbolos del mapa pueden depender de la magnitud de la escala, posibilitando así que el despliegue cartográfico varíe de acuerdo al nivel de magnificación. En esta demostración, a los aspectos geológicos se les asignó una simbología en función de la escala al nivel de sistema. Alternativamente, los métodos de programación pudieron diseñarse para lograr esta funcionalidad.

      Figura 3. Detallado mapa del área que muestra mayores aspectos, incluyendo unidades de mapa, contactos geológicos, fallas, contornos estructurales, rasgos puntuales y corrientes de agua. [tarea - demostración de la capacidad de enfoque y desplazamiento de la imagen.]

   3. Muestra en pantalla y consulta de las bases de datos externas: Para maximizar la utilidad de una base de datos de mapas geológicos, ésta debe poder utilizarse en concierto con la diversidad de otras bases de datos espaciales y no-espaciales (por ejemplo, censos/ datos demográficos y económicos; datos topográficos e hidrológicos; y datos de geociencias incluyendo de ingeniería, presencia de minerales aspectos sísmicos). En este momento y cada vez más en el futuro, el acceso a estas bases de datos será a través de la Red Mundial de Internet. Por consiguiente: a) la exhibición en pantalla de los mapas geológicos de la base de datos deberá poder efectuarse en Internet; b) deberán existir enlaces estables con las bases externas de datos; y c) el sistema deberá mostrar en pantalla, leer y manipular datos espaciales en formatos diferentes. En la demostración, dos bases de datos externas fueron accesadas a distancia, y consultadas, en concierto con los datos del mapa geológico (figuras 4a y 4b). El acoplamiento dinámico a estas bases de datos fue demostrado mediante la actualización instantánea de la exhibición en pantalla, subsiguiente a la modificación de la base externa de datos de petróleo y gas mostrada en la figura 4a.

      Figura 4a. Mayor detalle del área del mapa y de una serie de pozos de petróleo, cuya información se mantiene en una base externa de datos relacionada, administrada por el Kentucky Geological Survey. [tarea - Muestra en pantalla y utilización de varios datos externos, sin realizar su importación en el modelo de datos.]

      Figura 4b. Enlace dinámico de una unidad del mapa geológico, seleccionada con la entrada correspondiente en el Léxico de Términos Geológicos ("Geolex") del NGMDB, cuyo mantenimiento está a cargo del USGS en un servidor Oracle en Flagstaff, AZ. [tarea - exhibición en pantalla y utilización de varios datos externos, sin realizar su importación en el modelo de datos.]

   4. Realización de los análisis espaciales: Nueva información e interpretaciones temáticas pueden, sobre la marcha, derivarse de geología y de otras bases de datos. Ésta es quizás la función más crítica de una base de datos cartográfica en línea, accesible al usuario; debe ser un proceso eficiente y amigable al usuario, de lo contrario los servicios de la base de datos de cartográfica sólo sirven como un poco más que un almacén digital para mapas previamente publicados. En la Figura 5 se muestra el mapa de base de datos (con las unidades de roca reclasificadas según composición litológica) y bases de datos externas (pozos de petróleo y de gas, y trazos de corrientes de agua). El análisis espacial hizo acceso a la información de todas las bases de datos y entregó un resultado que identificó las unidades geológicas con propensión a karst, en las cercanías de pozos de petróleo y gas.

      Figura 5. El análisis se realizó simultáneamente en la base de datos del mapa y en los datos externos. Consultas pertinentes pudieran incluir: pozos de petróleo activos han sido entresacados en una unidad con propensión a formación karst, tal como piedra caliza? están las corrientes de agua bastante cerca como para transmitir contaminantes río abajo o a otras unidades con propensión a formación karst? [tarea - realización del análisis espacial en datos del mapa y con varios datos externos.]

   5. Generación de mapas derivados a partir de análisis: A fin de generar un mapa derivado de consultas y de análisis de bases de datos, el usuario deberá componer una descripción apropiada de la simbología del mapa y de los símbolos, o bien el sistema debe ser capaz de generar dinámicamente esta información. Este último enfoque proporciona una herramienta poderosa para el usuario, pero requiere de un sistema y modelo de datos capaz de cruzar e interpretar relaciones entre los diversos datos y los cuadros de modelo de datos. En la figura 6 se muestra un mapa de litología primaria, donde los símbolos fueron generados automáticamente.

      Figura 6. Un mapa de litología primaria, derivado automáticamente de la base de datos del mapa. La extensión del mapa puede definirse como el límite del borde del mapa, la cobertura de visibilidad del GIS, o algún límite definido en forma arbitraria por el usuario. [tarea - creación de mapas derivados del análisis espacial.]

   6. Exportación de datos seleccionados del mapa: Una base de datos es de máxima utilidad si los datos pueden exportarse e importarse en el software de la opción del usuario, para ser allí manipulados de maneras quizás no anticipadas por los administradores de la base de datos. Estos datos exportados pueden estar en estado "bruto, es decir no procesados" provenientes de la base de datos del mapa o de información derivada, a partir de consultas y análisis (arriba). Para hacer posible esta característica:
      1. el sistema debe tener la capacidad de realizar la lectura y escritura de una amplia variedad de archivos estándares comunes (esto se traduce en que las inversiones en equipo de computación y en entrenamiento de personal deberán respetarse),
      2. los administradores del sistema de la base de datos deben identificar los datos de campo apropiados que se exportarán con los varios tipos de datos espaciales (por ejemplo, todos los campos, o aquellos datos que se juzguen pertinentes y/o permitidos en el tipo de datos espaciales solicitados a ser exportados), y
      3. una estrecha coordinación deberá existir entre las agencias participantes y los usuarios, para asegurar el éxito de los dos puntos antes mencionados.

      El sistema del prototipo utiliza una herramienta bien conocida para importación y exportación, la así conocida bajo las siglas FME (Feature Manipulation Engine), con soporte esencialmente para todos los formatos comunes de archivos GIS.

   7. Visualización de los datos exportados del mapa en diferentes visualizadores de GIS: El grupo de datos seleccionados del mapa, representados en la Figura 6 fue exportado al formato shape-file de ESRI, bajado del servidor en red a una computadora local, y visualizado en ArcView (Figura 7). Los datos bajados estuvieron entonces completamente disponibles al usuario para realizar un mayor análisis local y visualización en pantalla. [estos datos también pueden utilizarse en muchos otros productos de software tanto comerciales como de libre distribución.]

      Figura 7. De la base de datos del mapa central a una computadora local, el mapa derivado puede ser exportado a otros formatos de GIS (por ejemplo, a ArcView, tal y como se muestra aquí), para su disponibilidad para un análisis adicional por el usuario final. [tarea - exportación, visualización y utilización de los datos del mapa en la computadora local.]

4. Evaluación de la relación entre agencias "interdepartamentalidad", carácter colaborativo de este esfuerzo

   Según lo estipulado en el Acta de Cartografía Geológica, es la intención que el NGMDB sea una colaboración a nivel Estatal y Federal. Por consiguiente, es esencial que cada prototipo atraiga en su seno a los colaboradores, para asegurarse de que juntos estudien las metas del proyecto y la tecnología disponible, así como definan el alcance de su correspondiente participación. Éste es quizás el aspecto más importante y de mayor desafío, con todo en última instancia el mas gratificante del proyecto. El prototipo de Kentucky satisfizo este objetivo reuniendo un grupo diverso científicos y expertos técnicos para tratar las necesidades del Kentucky Geological Survey y del NGMDB. Aunque es prematuro describir el diseño y el contenido eventual de esta base de datos en línea, las relaciones de trabajo construidas durante este prototipo indican que una base de datos a nivel nacional, construida y mantenida en forma común, es factible.

CONCLUSIONES

REFERENCIAS

Hastings, Jordan, and Brodaric, Boyan, 2001, Evolution of an Object-Oriented, NADM-based Data Model Prototype for the USGS National Geologic Map Database Project: Proceedings of the 2001 Annual Conference of the International Association for Mathematical Geology, Sept. 6-12, Cancun, Mexico http//www.kgs.ukans.edu/Conferences/IAMG/Sessions/l/brodaric.html.

Soller, D.R., and Berg, T.M., 2000, The National Geologic Map Database: A Progress Report, in D.R. Soller, ed., Digital Mapping Techniques '00 - Workshop Proceedings: U.S. Geological Survey Open-File Report 00-325, p.27-30, http://pubs.usgs.gov/openfile/of00-325/soller2.html.

Soller, D.R., and Berg, T.M., 1995, Developing the National Geologic Map Database: Geotimes, v. 40, no. 6, p. 16-18.

Soller, D.R., Berg, T.M., and Wahl, Ron, 2000, Developing the National Geologic Map Database, Phase 3 - An Online, "Living" Database of Map Information, in D.R. Soller, ed., Digital Mapping Techniques '00 - Workshop Proceedings: U.S. Geological Survey Open-File Report 00-325, p.49-52, http://pubs.usgs.gov/openfile/of00-325/soller4.html.

Wahl, R.R., Soller, D.R., and Yeldell, Steven, 2000, Prototype Implementation of the NADMSC Draft Standard Data Model, Greater Yellowstone Area, in D.R. Soller, ed., Digital Mapping Techniques '00 - Workshop Proceedings: U.S. Geological Survey Open-File Report 00-325, p.57-63, http://pubs.usgs.gov/openfile/of00-325/wahl.html.