31 de Marzo de 2000 Vol. 1 No.0


Digitalización Automatizada de Mapas Raster: Dr. Serguei Levachkine

2. Patrones cartográficos a reconocer

Al comenzar la discusión, hacemos notar que los creadores y usuarios de los sistemas de reconocimiento automático de patrones cartográficos pueden omitir el requisito de la exactitud absoluta y alta rapidez en el tratamiento automático de los mapas. Por ejemplo, como resultado de muchas horas de trabajo, el programa de reconocimiento identifica y representa en formato vectorial del 70 al 80% de los patrones cartográficos. Con éste vamos a tener un salto considerable en la capacidad de la tecnología para la digitalización de mapas existentes, por el hecho de que la prueba visual, la reconstrucción de patrones olvidados y, especialmente, la extracción de los patrones identificados por error (utilizando tecnologías tradicionales), requieren mucho menos esfuerzo con respecto a la elaboración manual de un mapa vectorial.

    Desde el principio, al desarrollar los programas de reconocimiento de patrones cartográficos, es útil omitir su carácter universal y automatizar el proceso de digitalización de mapas de tipo rastreo paso por paso, lentamente, extendiendo los patrones reconocidos con certeza por medio de algoritmos heurísticos. Por lo anterior, estos sistemas de la digitalización automática deben estar extremadamente abiertos para los usuarios profesionales, con el fin de estar en la posibilidad de hacer ajustes a los programas básicos de reconocimiento en la región de aplicación hasta el cambio de imágenes de búsqueda, y los algoritmos de tratamiento de las imágenes de tipo rastreo, a través de un lenguaje básico para imágenes gráficas.

2.1 Patrones puntuales

Al parecer desde el punto de vista de reconocimiento, los patrones más sencillos son los cartográficos puntuales, los cuales representan en los mapas los objetos cartográficos, cuyos tamaños son menores en relación con el tamaño del territorio, presentado en este mapa.     Dependiendo de la escala del mapa, a esta clase de patrones geográficos pueden pertenecer: ciudades, pueblos, aeropuertos, atracaderos, yacimientos, etc. Los patrones de este tipo se dibujan en los mapas en forma de símbolos. Las características de los símbolos de los patrones cartográficos puntuales, son: la forma, el tamaño y los colores. Cada una de estas características del patrón puntual en un mapa temático, puede tener su propio valor informativo. Los patrones de un mismo tipo (por ejemplo, las ciudades con números distintos de población) se pueden presentar como un grupo de símbolos similares. El resultado de la digitalización de patrones puntuales debe contener las coordenadas del patrón y, en caso de posible reconocimiento, los datos atributivos del patrón. La identificación automática de los patrones puntuales se complica principalmente por el hecho de que en proceso de dibujado, impresión, copiado, conservación y escaneado de los mapas en papel, los símbolos que corresponden a los mismos patrones, los cuales son fáciles de reconocer por el ojo humano, generalmente no son iguales en el nivel de la matriz de los pixeles. Además, los símbolos puntuales pueden parcialmente sobreponerse uno sobre otro o estar sobre otros patrones lineales o poligonales.

    Entre los problemas de la digitalización de los patrones puntuales, se puede plantear un problema particular de reconocimiento de puntos geodésicos y puestos hidrológicos, los cuales se presentan numerosamente en mapas topográficos de media escala que necesitan para la creación de modelos digitales de relieve. Estos patrones se dibujan en los mapas, como un grupo de símbolos, como formas y/o colores, los cuales representan sus características constructivas. Los símbolos de puntos geodésicos, generalmente vienen con información textual, que indica su nombre registrado y la altura de su punto de referencia. Los símbolos de puestos hidrológicos también vienen con información textual estructurada, que contiene el nombre registrado de puesto, la indicación de altura del agua en el depósito o la corriente del agua, tipo de depósitos de fondo, etc. Las características indicadas para los símbolos de patrones, pueden usarse efectivamente para el desarrollo de algoritmos de reconocimiento automático de patrones puntuales.


2.2 Patrones lineales

Los patrones cartográficos lineales representan en los mapas los objetos cartográficos, el tamaño de los cuales, en una dirección es mucho menor que en otra. Los patrones lineales representan en mapas: ríos, autopistas, fallas tectónicas de la corteza terrestre, etc. Los patrones de este tipo se dibujan en mapas en forma de líneas de diferentes tipos, colores y anchos. Cada elemento puede tener su propio valor informativo. El resultado de la digitalización de los patrones lineales debe contener una secuencia de las coordenadas de los arcos, los cuales aproximan el patrón y, en caso de un reconocimiento posible y los atributos del patrón. La identificación de los patrones lineales se complica por el hecho de que se dibujan en mapas no solamente con líneas continuas, sino con líneas de una topología distinta (continuas, discontinuas, doble línea, etc.) (Figura 8)

    Además, los patrones pueden perderse en caso de juntarse con otros patrones poligonales, sobreponerse parcial o totalmente uno sobre otro y sobre otros patrones puntuales.

Figure

Figure 8

    Los ejemplos de la presentación de los objetos cartográficos lineales:

a) línea ininterrumpida,
b) rayas,
c) rayas-punteado,
d) doble línea

    Entre los problemas de la digitalización de patrones lineales, de gran interés práctico es el problema del reconocimiento de las isolíneas de la altura de la superficie terrestre. Las isolíneas se dibujan en mapas con líneas continuas y trazos del mismo ancho y color. El reconocimiento de las isolíneas se complica por el hecho de que, generalmente, tienen discontinuidades en las cuales se escribe el valor del parámetro correspondiente para una isolínea dada. Estos números se ponen en el mapa con una orientación definida con respecto a la isolínea marcada. En los lugares de marcación numérica o de alta densidad de isolíneas, una parte de isolíneas afines puede desaparecer. Con frecuencia se utilizan dos grupos de isolíneas en los mapas: principales y adicionales. Las imágenes de estas últimas isolíneas se diferencian por el tipo de líneas. Las imágenes de las isolíneas pueden contener "berg-rayas", o segmentos cortos con longitud fija, los cuales se ponen perpendicularmente a la isolínea misma, con orientación hacia la disminución del valor numérico de parámetro (Figura 9).

Figure

Figure 9

    Ejemplo de presentación de las isolíneas de altura de superficie terrestre

    Sin embargo, al crear los algoritmos de reconocimiento para sistemas con isolíneas, se pueden usar de acuerdo a sus especificaciones geométricas: las isolíneas no pueden cruzarse y cada una es cerrada o comienza y cierra en la frontera de una región. El resultado de la digitalización de isolíneas debe contener una secuencia de las coordenadas de los arcos, los cuales aproximan estas líneas, con un restablecimiento máximo posible de los segmentos ausentes en las isolíneas y una tabla con los valores del parámetro correspondiente.

    Entre otros problemas actuales de la digitalización automática, se puede plantear el reconocimiento de los patrones lineales, que se presentan en los mapas de la red hidrológica (ríos, canales, arroyos, etc.). La red hidrológica (hidrored) se dibuja en un mapa como un grupo de líneas continuas a trazos con el mismo color y ancho distinto. En una parte las corrientes del agua tienen un nombre. La topología de la red hidrológica tiene la característica especial de representarse en forma de grafos dirigidos (digrafos) de tipo árbol. Con esto, la altura de los puntos pertenecientes a cada digrafo no sólo tiene una correlación estricta con el relieve, sino que baja desde el origen del digrafo a sus raíces. Para el reconocimiento de los patrones hidrológicos lineales, el elemento de la red hidrológica tiene como regla iniciar en otro elemento lineal de la red (brazo o acequia del río) o en otro elemento hidrológico de otro objeto topológico (puntual: manantial; poligonal: pantano, lago, etc.).     Analógicamente, el fin del elemento lineal de la red hidrológica puede ser los otros elementos de la red (rama de río) o elementos hidrológicos poligonales (lago, mar, etc.). El reconocimiento de la red hidrológica se complica por el hecho de que las imágenes de las corrientes del agua pueden sobreponerse por imágenes de otros patrones lineales (ferrocarriles, carreteras automóviles, fronteras y/o rayos de los polígonos, etc.) y puntuales (puntos habituales, puentes, marcas de los polígonos, etc.). El resultado de la digitalización de la red hidrológica debe contener una secuencia de las coordenadas de los arcos, los cuales se aproximan a las corrientes del agua y datos atributivos.


2.3 Patrones poligonales

Los patrones poligonales dependen de la escala del mapa. Se representan en mapas con unidades separadas de la división administrativa (regiones económicas, demográficas, geológicas, etc.), manzanas de ciudades, edificios separados, etc. Los patrones poligonales se dibujan en el mapa en forma de plano de figuras, en el caso general, no convexos y multiconexos. Las fronteras de los patrones poligonales son líneas cerradas sin autointersecciones. Estas líneas pueden dibujarse en el mapa en forma de patrones lineales o estar ausentes. Las características visuales de los patrones poligonales son las imágenes de fronteras, colada, rayado y marca (Figura 10). En su lugar, las coladas se diferencian por composición de color. Los rayados son compuestos por un sistema de patrones lineales paralelos y se diferencian por el tipo, ancho, color, inclinación y densidad de las lineas. En el caso general, cada tipo de marca es un patrón puntual y se diferencian entre sí por su forma, distribución, color de sus partes y la densidad de dibujo. Los resultados de la digitalización de los patrones poligonales deben contener una secuencia de las coordenadas de los arcos, los cuales aproximan contornos exteriores e interiores del patrón, y una tabla de datos atributivos. La identificación de patrones de este tipo es el problema más complicado en esta serie debido, a que:

1. las fronteras de diferentes patrones poligonales (una de ellas se dibuja por colada, otra por rayado y una tercera por marca) que no coinciden entre sí;

2. los patrones poligonales siempre contienen dentro de sí patrones lineales y puntuales.

Graphics Graphics
 

    Ejemplo de polígonos rayados (a) y marcados (b)

    El problema más reciente y a la vez relativamente sencillo en reconocimiento de patrones poligonales, es la digitalización de un mapa de regiones. La topología de este mapa está compuesta por un sistema de patrones poligonales, los cuales no se sobreponen uno sobre otro y cubren totalmente la superficie del mapa. Otro problema interesante de esta clase es la digitalización de polígonos del mapa de relieve. Las fronteras de este tipo de mapas son isolíneas o fronteras del mismo mapa. La topología del sistema de patrones poligonales, en este caso, está compuesta por un sistema de polígonos, los cuales también no se sobreponen unos sobre otros y cubren totalmente la superficie del mapa. Además cada polígono, en general, tiene la topología de un anillo o círculo. Hecho esto puede usarse para la creación de algoritmos de reconocimiento.

 
3. Conclusiones y Trabajo Futuro

Para finalizar, hacemos notar que en la descripción y el registro de los problemas actuales para la digitalización automática de mapas de tipo rastreo, queda plasmado el interés profesional de los autores. Naturalmente, en el análisis de las áreas de aplicación diferentes al reconocimiento automático de patrones cartográficos, se subrayan aspectos distintos de este problema.

    La meta más cercana de los autores es la creación de herramientas de programación (software) para la digitalización y el reconocimiento automático de los patrones puntuales, lineales y poligonales, utilizando los algoritmos originales orientados al reconocimiento de los patrones geográficos con forma geométrica complicada. Estos algoritmos permiten parcialmente superar las dificultades, indicadas en este artículo, para la identificación de patrones cartográficos en mapas de tipo rastreo . Para resolver este problema se requiere solucionar las siguientes cuestiones metodológicas y tecnológicas:

1. La planeación de las secuencias consecutivas de la decodificación automática de mapas ordinarios de tipo rastreo;

2. El tratamiento previo de las imágenes de tipo rastreo, con el fin de simplificar su reconocimiento automático;

3. La formación de imágenes buscadas para los objetos cartográficos, las cuales están presentes en la leyenda del mapa;

4. La creación de reglas para "borrar" los patrones cartográficos ya encontrados con reconstrucción simultánea de fondo, para poder simplificar la identificación del mapa que sigue;

5. La vectorización consecutiva de patrones cartográficos del mapa de tipo rastreo;

6. La redacción manual de los resultados de la digitalización automática del mapa.

Por la complejidad de estos problemas, los autores creen que su discusión en esta revista es de gran utilidad para la comunidad científica y al mismo tiempo útil para resolver el problema actual de la digitalización automática de mapas tipo rastreo.


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