INGENIERIA CIVIL

Los sistemas de informacióngeográfica (SIG) una

herramienta poderosa parala toma de decisiones.

Los sistemas de información tradicionales, orientados hacia el suministro de información útil para latoma de decisiones mediante la manipulación de una base de datos numérica, estaban impedidospara combinar simultáneamente los datos espaciales o gráficos 'Con sus datos descriptivosasociados. Esta labor de análisis se convertía entonces, en un proceso bastante complejo donde loscálculos geográficos debían realizarse por separado para, posteriormente buscar la manera de quelos usuarios finales pudieran visualizar gráficamente los resultados tabulados sobre esquemas ymapas, en forma manual, o con la ayuda de programas de dibujo como el A UTOCA D.Esta tecnología, conocida con el nombre genérico de SISTEMAS DE INFORMACION GEOGRAFI-CO (SIG), se ha convertido en una poderosa herramienta al alcance de estudiantes y profesionalescomo ingenieros, geógrafos, médicos, historiadores y, en general, para todos los planificadores deaquellas disciplinas que necesitan información geográfica o georreferenciada, como ayuda para lasolución de sus problemas.El presente documento pretende dar algunos conceptos generales sobre los SIG, su definición,componentes, datos de entrada y algunos procedimientos de análisis que se ofrecen con lospaquetes disponibles en el mercado.

NESTOR SAENZ SAAVEDRAIngeniero en Transportes y VíasM. Sc. Ingeniería de Sistemas

Especialista en Fotointerpretación para Ingeniería CivilProfesor Asociado - Facultad de Ingeniería - U.N.

INTRODUCCION

Desde hace relativamente pocos años, se en-cuentran en el mercado una serie de progra-

mas que permiten construir, manipular, y producirinformación espacial o geográfica en forma simultá-nea con los datos descriptivos asociados ycomplementariamente, suministran módulos analíti-cos que ofrecen la posibilidad de construir modelosque representan análogamente la realidad, de acuer-

do con los criterios de análisis que suministre elusuario. Estos modelos, simples o compuestos, ca-racterizados por su fuerte dependencia con las ca-racterísticas geográficas o espaciales, puedendefinirse de tal manera que el usuario estará encapacidad de interactuar dinámicamente, bien seamanipulando los datos numéricos que afectan losresultados gráficos, o cambiando las condiciones

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gráficas y que el computador actualice simultánea-mente las bases de datos descriptivas.

La mayoría de las actividades realizadas por elhombre tienen que ver con la localización espacial desus elementos de análisis dentro de un contextorelativo, es decir referenciado. El ingeniero civil de-sea visualizar sus obras dentro del área geográficadonde se irán a construir, tratando de representar losprincipales factores favorables y adversos a cadaemplazamiento, con el fin de estudiar la mayor can-tidad de alternativas desde el punto de vista técnico,económico y financiero, que permita seleccionar lamejor de todas ellas, mediante un análisis espacialque correlacione todos estos criterios. El ingenieroelectricista debe conocer las características del te-rreno donde deberá localizar una red eléctrica, y enlo posible, modelar el comportamiento del fluidoeléctrico bajo diversas situaciones. Los diseños delingeniero mecánico se representan en forma gráfica.Los médicos y planificadores en salud pública, repre-sentan geográficamente los mapas epidemiológicoscon el fin de cuantificar las acciones de controlmédico que deberán ejecutar. Los ecólogos, losprocesos de deterioro del medio ambiente. La loca-lización de los centros de mercadeo óptimos en unaciudad, necesita tener en cuenta las característicasdemográficas de la población de su zona de influen-cia, para estimar su potencial de ventas, etc. Enconclusión, existe un rango muy amplio de discipli-nas que deben realizar sus procesos de toma dedecisiones y la solución a sus problemas mediante elanálisis simultáneo de datos numéricos con la infor-mación espacial referenciada.

El proceso de planificación de una ciudad, por ejem-plo, implica en primer lugar el manejo de grandesvolúmenes de información gráfica y descriptiva, y ensegundo lugar, la participación de profesionales dediversas disciplinas como economistas, abogados,píanificadores, arquitectos, ingenieros, sociólogos,ecólogos, seguridad pública, etc., los cuales elabo-ran, analizan y desarroll~n los proyectos de desarro-llo para la ciudad en estudio. Este proceso

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interdisciplinario de trabajo que se aplica sobre lainformación disponible, se conoce como "análisismulticriterio" .

Para que los planificadores se aproximen a respues-tas concretas hacia la solución de los problemas, sedebe contar con un fuerte apoyo desde el punto devista del manejo de la información. E_xistesiemprenecesidad de estudios exhaustivos basados en in-formación detallada. La información, entonces, re-quiere sermás que una simple colección de datos,para que permita su análisis en la forma que losespecialistas lo requieran.

Los SISTEMAS DE INFORMACION GEOGRAFIGA(SIG), se han convertido en la nueva tecnología quepermite no solo crear, organizar, y manipular enforma simultánea bases de datos gráficas y descrip-tivas, sino que presentan una serie de posibilidadesorientadas hacia el análisis multicriterio de dichainformación, con el fin de convertirla en elementos dejuicio para ayudar a la toma de decisiones.

En la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacio-nal, se está desarrollando un plan para la obtenciónde equipos que soporten algunos de estos progra-mas disponibles en el mercado, y se ha iniciado unprograma de capacitación de profesores y estudian-tes, a mediano y largo plazo, con el fin de aprovechareficientemente estas herramientas con posibilidadesde aplicación en todas las carreras existentes en laFacultad.

La Environmental Systems Research Institute, Inc.(ESRI), por intermedio de su representante comer-cial en Colombia, la firma Programación y SistemasLtda., suministró en comodato a la Facultad deIngeniería tres llaves con sus respectivas licenciasdel más conocido Sistema de tníorrnactón Geográfi-co, en su versión para microcomputador, denomina-do PC-ARC/INFO. Adicionalmente, se están reali-zando las gestiones pertinentes para adquirir otrosprogramas que tienen precios subsidiados para lasuniversidades, como el sistema SPANS, de la com-pañía canadiense TYDAC Corporation.

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DEFINICION DE UN SISTEMA DE INFORMACIONGEOGRAFICA

Un SIG se puede considerar como una forma parti-cular de un sistema de información, que además deincluir dentro de sus componentes las bases dedatos tradicionales (descriptivas), incluye el manejosimultáneo de bases de datos espaciales o gráficas.De acuerdo con este marco conceptual, se puededefinir un Sistema de Información Geográfico (SIG),como "un conjunto interactivo de subsistemas orien-tados hacia la captura y organización de la informa-ción georreferenciada, con el fin de suministrar ele-mentos de juicio para apoyar la toma de decisiones".Para cumplir con estos objetivos, un SIG lleva implí-cito el uso del computador para la entrada, manipu-lación, análisis y despliegue de la información des-criptiva y espacial.

Para cada una de las anteriores funciones, los diver-sos paquetes comerciales de Sistemas de Informa-ción Geográfico, presentan diferentes módulos inte-grados que facilitan tanto la entrada de datos enforma numérica y gráfica, proveniente de distintasfuentes y formatos, como la edición, actualización,análisis, recuperación, y salida de la informaciónprocesada. Pero, como en todo sistema de informa-ción, se debe realizar previamente un concienzudoestudio de conceptualización y diseño del sistema enparticular, con el fin de utilizarlo eficientemente; de locontrario, se pueden generar frustraciones o desper-diciar las potencialidades ofrecidas.

COMPONENTES DEUNSISTEMA DE INFORMACIONGEOGRAFIC~

Un Sistema de Información Geográfico, está com-puesto por los mismos elementos de cualquier siste-ma de información, que esté orientado hacia la tomade decisiones, con la característica adicional depermitir el manejo de los datos espaciales, en formaintegrada con los datos descriptivos. (Véase la Figu-ra No. 1).

Estos elementos son:

re Los equipos o "hardware", compuesto por elcomputador con sus respectivos dispositivosperiféricos, incluyendo dentro de ellos los quepermitan la entrada y salida de datos gráficoscomo mesa digitalizadora y graficadores de lí-neas.

re El componente operativo o "software", com-puesto por los comandos y programas especiali-zados que actúan sobre la información contenidaen la base de datos. Adicionalmente, incluye losprogramas de aplicación diseñados por el usua-rio.

re Base..de,datos, representada por las bases dedatos espaciales y las bases de datos descripti-vas. La gran diferencia del potencial de un SIG,está en las facilidades que presenta para manejarconjuntamente o en forma simultánea las basesde datos espaciales y sus atributos.

re Los procedimientos, se refieren a los iñ-ánualeso instrucciones escritas que van dirigidas a losoperadores o usuarios para el manejo eficiente yseguro de un SIG. Incluye los manuales técnicosy de los usuarios, de los paquetes y programasdesarrollados por los usuarios.

re Los recursos humanos, debidamente capacita-dos y con la concepción del manejo de datosgráficos. Generalmente los analistas y diseñadoresde sistemas, están compuestos por personalmultidisciplinario, que no sólo resuelvan los pro-blemas de entrada y manipulación de los datos,sino la conceptualización y análisis eficiente delas bases de datos integradas y las modelacionesdesarrolladas con base en las tecnologíasmulticriterio.

Cuando en un sistema se cuenta con más recursosdisponibles, dependiendo del tamaño, se necesitaun soporte organizacional que los opere y adminis-tre. Los SIG se pueden describir como un conjunto desubsistemas interrelacionados, que se asimila concada uno de los elementos componentes:

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re Subsistema de entrada de datos: Administra losprocedimientos .de ingreso de la información es-pacial y descriptiva, sel_eccionando la metodologíamás apropiada y los periféricos, tales como mesadigitalizadora, consolas, unidades de cinta, lecto-ras de barrido electrónico ("scanner"). Estesubsistema se encargará de organizar los datosprovenientes de diversas fuentes, en los formatosy presentación apropiados para su análisis.

re Subsistema de almacenamiento: Administra losrecursos de almacenamiento secundario (discos,cintas magnéticas), decide sobre la frecuencia deactualización o consulta y controla los niveles deacceso de cada uno de los usuarios del sistema.

re Subsistema de análisis y modelado: Está com-puesto por los especialistas en las diversas disci-plinas y los analistas de sistemas, encargados dedeterminar los procedimientos que se deben apli-car a las bases de datos para producir los resulta-dos que luego serán analizados integralmente.

re Subsistema de salida de la información: Seencarga de diseñar los formatos de salida de losresultados, tanto en pantalla como en los mapas.Igualmente, se definirán los procedimientos quepermitan la edición, difusión y consulta de losresultados entre los usuarios internos o externosa la organización.

ENTIDADES GEOGRAFICAS BASICAS

El principio fundamental del Sistema de InformaciónGeográfico, para el manejo de la información, es quelos datos sean codificados, organizados, analizados .y modelados a través de una referencia explícita a sulocalización espacial y a otras propiedades geográ-ficas. Los SIG, representan el mundo real mediantela utilización de bloques de información o entidadesconstruídas a partirde puntos, líneas y polígonos, loscuales pueden representar distancias, superficies,volúmenes o redes. Estas entidades se explican acontinuación:

Datos Puntuales:

Pertenecen a esta clasificación aquellos elementos. geográficos cuya localización en el espaciobidimensional de trabajo cubre un área considera-blemente menor que la de los demás elementoscircundantes, o incluso aquellos cuya dimensiónvertical es apreciable con respecto al área cubierta.Ejemplo. de este tipo de datos lo constituyen lasperforaciones geológicas, torres de transmisión, se-máforos, pozos de inspección y, en general, lasentidades geográficas de las cuales sólo nos intere-sa poseer información numérica y alfanumérica aso-ciada a su localización, aunque, dependiendo de laescala de trabajo, cubran un área considerable.

La definición de una entidad geográfica como datopuntual, depende de las necesidades y productosfinales que se deseen obtener. Existen casos en los.cuales los elementos que son considerados y trata-dos como puntos en mapas de pequeña escala,deben ser tratados como polígonos en mapas másdetallados. Los núcleos urbanos constituyen un ejem-plo de este caso particular.

Datos Lineales:

A este tipo de datos pertenecen los entes g,eográfi-cos que al momento de ser representados en unmapa a cualquier escala, tienen una anchura despre-ciable en comparación con la longitud de éste, pu-diendo ser tratados como líneas en la mayoría de loscasos. A este tipo de datos pertenecen la mayoría delas redes de drenaje (ríos, quebradas, caños), lascarreteras, divisiones geográficas, etc.

Por ejemplo, en el caso de las carreteras o ríosimportantes, en donde el ancho sea apreciable,puede ser conveniente registrar únicamente el ejedel mismo, codificando el ancho como un atributonumérico asociado. Esta organización facilita suanálisis y ocupa menor espacio en la memoria delcomputador.

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Datos Poligonales o Superficiales:

Están constituidos por aquellos elementos que pue-den ser representados en un mapa pormedio de unazona definida subjetiva o físicamente. El priraer gru-po lo componen aquellos elementos de superficiecuya delimitación es el resultado de la clasificaciónde untenómeno en consideración y puede convertir-se en una delimitación física visible. Las delimitacio-nes previstas para posibles desarrollos futuros o losmapas de susceptibilidad a la erosión, son ejemplosde éste tipo. El segundo grupo lo componen aquelloselementos que poseen una delimitación física másdefinida y-que no necesitan de criterios subjetivospara su registro superficial. Un ejemplo lo constitu-yen los mapas forestales, los núcleos urbanos, etc.

Datos Volumétricos:

La topografía del terreno es el ejemplo más evidentede este tipo de datos. Los Sistemas de InformaciónGeográficos actuales, generalmente representan los

. objetos tridimensionales por la superficie que lolimita, mediante la definición de un modelo digital delterreno, cuya superficie puede ser continua o discre-ta. En este aspecto los SIG presentan los mayoresinconvenientes, por cuanto necesitan un computa-dor de alto desempeño y una pantalla de alta resolu-ción.

Redes:

Están compuestas por una serie de líneas y puntosinterconectados (nodos y arcos), a lo largo de loscuales existe un flujo determinado. Las redes regu-lan el flujo mediante ciertas normas que pueden sersimuladas por los SIG, de tal manera que los recur-sos que pertenecen a la red, pueden ser manejadosy dispuestos con la máxima eficiencia, con los propó-sitos de planeación, diseño, reestructuración, admi-nistración y operación. Cualquier tipo de red sepuede representar en un SIG, tales como redestelefónicas, alcantarillado, eléctrica, vial, etc., y en

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general que cumpla con las funciones de distribu-ción, recolección o ambas.

En la Figura No. 2, se muestra el concepto dealmacenamiento de información gráfica y descriptivaen las bases de datos espaciales. Las entidadesgeográficas elementales pueden ser puntos, líneasy polígonos, o derivados, como volúmenes y redes.Estos sirven para representar esquemáticamente elmundo real, llevan asociada una tabla con la informa-ción descriptiva que complementa la imagen.

Los puntos, por ejemplo, pueden ser interseccionesviales y, la información asociada, su localizacióngeógráfica, localización relativa (calle-carrera), nú-mero de accidentes anuales, si está semaforizada ono, tipo de intersección, etc. Las líneas, puedenrepresentar las vías, con sus datos asociados de tipode vía, velocidad, capacidad, estado del pavimento,etc. Los polígonos, representarán las manzanas,con datos como población, destino económico, es-trato socioeconómico, número de viviendas, medi-das, etc.

La potencialidad del SIG radica en que las dos basesde datos interactúan simultáneamente. No se nece-sita salir de la edición del dibujo, para actualizar eltipo de vía, por ejemplo. Pero lo más importante, esque se pueden realizar análisis y consultas inmedia-tas teniendo en cuenta su posición geográfica. Porejemplo, "resalte las vías del tipo 1 y calcule sulongitud total". "Calcule la densidad de poblaciónpara las manzanas de estrato 6 con destino econó-mico residencial". "Indique las intersecciones vialesque tengan una frecuencia de accidentes diarios demayor de 3". Todas estas consultas se puedenprogramar tan complejas como se desee y presentarlos mapas resultantes para su análisis visual.Adicionalmente, se pueden generar mapas temáti-cos intermedios, con el fin de cruzarlos o superponer-los para visualizar y cuantificar el efecto combinado.Por ejemplo, representar las vías del tipo 1, quetengan intersecciones con una frecuencia diaria deaccidentes mayor de 4 y que no estén semaforizadas.

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FIG. No. 2 - COMPONENTES DE LAS BASES DE DATOS ESPACIALES

ENTIDADES GEOCRAFICAS~

PUNTOSEJ: INTERSECCIONES YIALES

No.

LINEASEj: CALLES

No.

f A

2 B

3 C JlALO

POLIGONOSEj.: MANZANAS

No.

f

2 2

3 6

ANOTACIONES. __ +

BASE Q.E DATOS DESCRPITIVA BASE DE DATOS ESPACIALPARIS

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..DATOS DE ENTRADA PARA UN SIG y PROCEDI-MIENTOS PARA EL ANALlSIS

Para la conformación de las bases de datos, los SIGpermiten la captura de datos en diferentes formas ypor diferentes dispositivos periféricos y, desde luego,en la escala que se desee.Los dispositivos más empleados son: mesas o table-tas digitalizadoras, lectores de barrido electrónico'("scanners"), a partir de otros medios magnéticos,teclado.Las fuentes pueden ser: datos de campo, mapasexistentes, imágenes de satélite, imágenes de radar,fotografías aéreas, etc.Los procedimientos para la manipulación y el análisisde la información, pueden ser ofrecidos por lascompañías de desarrollo de programas o diseñadosdirectamente por los usuarios de acuerdo con susnecesidades.Los módulos más comunes realizan las siguientesoperaciones:

* Captura automática de la información espacial ydescriptiva.

* Manejo y administración de las bases de datos.* Superposición de mapas temáticos.* Visualización y consultas interactivas, en 2 y 3dimensiones.

* Edición gráfica/cartográfica.* Análisis de redes.* Toponimia digital.* Geocodificación de direcciones.*.Análisis y generación de superficies.* Cartografía automatizada.* Conversión de datos espaciales en diferentesformatos y tipos de archivos para otros sistemas.

* Análisis topológicos.* Análisis de proximidad o vecindad.* Análisis de visibilidad.* Dibujo de curvas de nivel.* Modelos interactivos: de expansión o difusión,zonas de influencia, etc.

* Modelos multicriterio.

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* Dibujo de curvas de isopendientes, isohietas,isotérmicas, isotiempos, etc.

* Funciones matemáticas, alfanuméricas, estadísti-cas, trigonométricas, logarítmicas, etc.

* Análisis de aspecto, iluminación, ángulo de inci-dencia.

* Modelos de decisión, predicción, simulación, etc.* Etc.

El producto más interesante de un SIG será lautilización de toda la información para la modelacióno el análisis de simulación de los efectos que puedeproducir uno o varios agentes externos, o la intensi-dad con que actúen (obras civiles, procesos natura-les o inducidos por el hombre, etc.), para estructurarplanes y programas de contingencia.En la Figura No. 3, se presenta un ejemplo de laforma como estos mapas específicos se combinandentro de un análisis multicriterio y multidisciplinario,con el fin de producir los respectivos mapas deriesgos, mediante el diseño de modelos de simula-ción, los cuales presentarán los elementos de juicionecesarios para la toma de decisiones durante laconstrucción de una obra o cuando se produzca unaccidente.

ANALlSIS DE EFECTOS SIMULADOS SOBRE ELMEDIO AMBIENTE

Mopos de Riesgos Agentes y procesos

de Alternejon

Mnpn ele [rectos

Fig~ra No. 3.

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CAMPOS DE APLlCACION y DISCIPLINASINVOLUCRADAS

Los SIG se pueden considerar como una de esastecnologías en donde el límite de aplicación dependede los equipos empleados, el recurso humano dispo-nible, los propósitos que se persigan y su imagina-ción. Por lo anterior, se les conoce como la "tecnolo-gía del conocimiento", por el gran potencial queofrece para la gran variedad de disciplinas relaciona-das. Dentro de las aplicaciones más conocidas tie-nen que ver con la vigilancia y defensa estratégica dezonas costeras, exploraciones petrolíferas y minerasen general, planificación y diseño de obras civiles,gestión de redes de servicios públicos, producciónde mapas de sensibilidad geotécnica, planes deprotección ambiental, ordenamiento territorial, loca-lización de zonas de riesgo, aguas subterráneas, .cartografía automatizada, análisis de mercados, tu-rismo, historia.

Dentro de las disciplinas involucradas se encuentran:

Las matemáticas, para el diseño teórico de losmodelos y el análisis espacial.

La informática, para el diseño de las aplicaciones delos usuarios, el diseño de las bases de datos, losalgoritmos de procedimientos, el cómputo gráfico,las redes de transmisión de datos, etc.

La estadística, en los modelos de simulación opredicción, en el análisis de los datos, presentaciónde resultados.

La investigación operacional, en los procesos deoptimización, en la toma de decisiones, análisis deprobabilidades.

Todas las ramas de la ingeniería: forestal, agrícola,civil, sistemas, etc., que planifiquen y tomen decisio-nes con base en análisis espaciales.Los sensores remotos, que proporcionan una gran

cantidad de fuentes de información, desde fotogra-fías aéreas, imágenes de satélite, imágenes deradar.

Las imágenes de satélite y de radar, se han conver-tido en la mayor fuente de datos para los SIG, porcuanto su desarrollo durante los últimos años ha sidobastante importante, tanto en resolución (hasta 10metros), como en variedad de bandas del espectroelectromagnético (imágenes en las bandas delinfrarrojo, térmicas, bandas visibles), peroadicionalmente, dado su carácter de imágenesdigitales, permiten su interpretación automatizada yla conformación de modelos digitales del terreno,como en el caso que se muestra en la Figura No. 4,donde a partir de un par estereoscópico de imágenesde satélite, provenientes del satélite europeo (SPOT)(Satélite para la Observación de la Tierra), en modomultiespectral o pancromático, se produjo un ModeloNumérico del Terreno, con una resolución planimétricade 10 Mts.

Las aplicaciones de un Modelo Numérico del Terre-no, se relacionan con numerosos campos:

* Generación de curvas de nivel, y confección demapas topográficos.

* Confección de "imagemapas" rectificados (un mapatopográfico georreferenciadb superpuesto con unaimágen de satélite), como se observa en la FiguraNo. 5, tomada de catálogos de SPOT IMAGE, lafirma que distribuye este producto.

* Determinación de las redes hidrográficas y de lascuencas de alimentación, mapas de vertientes,mapas de insolación.

* Selección de sitios para emplazamiento de obrasciviles.

* Simulación de impactos ambientales.* Geología, geomorfología.* Estudios geotécnicos.* Instalación de emisoras de radiodifusión.* Preparación de misiones de vuelos fotográficos.* Simulación de vuelos.

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* Vigilancia de lugares sensibles.* Todas las aplicaciones que pueden desarrollarseutilizando SIG.

CONCLUSIONES

Un Sistema de Información Geográfico es una tecno-logía que se caracteriza por integrar informaciónespacial y otras clases de información en un solosistema, el resultado es una herramienta consistenteque permite toda clase de análisis geográficos ogeorreferenciados.

Cuando se dispone de mapas, imágenes de satélite,fotografías aéreas y otras clases de informaciónespacial en forma digital, el SIG permite manipular,desplegar y analizar el conocimiento geográfico deuna manera nueva y excitante.

En síntesis los SIG realizan las siguientes funcionesprincipales:

- Construcción e integración de bases de datosespaciales.

- Exploración de las relaciones entre los conjuntosde datos espaciales.

- Búsqueda e identificación de sitios apropiadospara desarrollo de proyectos.

- Evaluación de impactos a través de modelos.

- Desarrollo de aplicaciones por el usuario, de acuer-do con sus necesidades.

- Consultar los registros administrativos, tales como, archivos de propietarios de bienes raíces, archivosde impuestos, de servicios públicos, etc., a través

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de su posición geográfica (espacial).

Como toda herramienta nueva que sale al mercadose necesita conocerla apropiadamente, para que losanalistas puedan aprovecharla en todas sus capaci-

, dades. La Universidad Nacional, está llamada aconvertirse en un centro multiplicador de los conoci-mientos y experiencias adquiridas sobre esta tecno-logía, a través de cursos, talleres, seminarios yespecialmente mediante la conformación de gruposde trabajo académico con la participación de estu-diantes y profesores, que puedan a su vez desarro-llar proyectos aplicados, con el estudio de lasmetodologías que apliquen esta técnica en formaeficiente y responsable.

BIBL/OGRAFIA

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Visualización 3 DimensionesSimulaciones

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Figura 4

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Cartografía

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• actualizado• elaborado rápidamente• de co te reducido• de buena precisión

Una base georeferenciadaindispensable:

• para los proyectos de de arrollo• para lo inventarios de recur onaturale

Figura 5