PDF de programación - Modelado de datos para base de datos espaciales. Caso de estudio: sistemas de información geográfica

Centro de Investigaci´on y de Estudios

Avanzados del Instituto Polit´ecnico Nacional

Departamento de Computaci´on

Modelado de datos para base de datos espaciales.

Caso de estudio:

sistemas de informaci´on geogr´afica.

Tesis que presenta

Flor Radilla L´opez

para obtener el Grado de

Maestro en Ciencias

en la Especialidad de

Ingenier´ıa El´ectrica

Director de la Tesis:

Dr. Sergio V´ıctor Chapa Vergara

M´exico, D. F.

Mayo 2008

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Agradecimientos

Gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnolog´ıa por haberme proporcionado
el apoyo econ´omico que sirvi´o para sustentar mi estancia durante el tiempo que rea-
lic´e mis estudios de maestr´ıa.

Gracias al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnolog´ıa por financiar, a trav´es del
Convenio-Colima-2005-C01-28, el proyecto: ”Sistema de informaci´on geogr´afica para
el manejo sustentable de cuencas hidrol´ogicas“.

Gracias a Dios por brindarme vida y salud para seguir luchando en este camino
de dudas, incertidumbre y sentimientos encontrados que al final nos ense˜na a mejorar
como persona.

Gracias al Dr. Sergio V´ıctor Chapa Vergara por la gran oportunidad que me
brind´o para regresar al Cinvestav porque a trav´es de ´esta he aprendido mucho no
s´olo en conocimiento t´ecnico sino a nivel personal. Por el apoyo brindado para poder
concluir mis estudios de maestr´ıa, por haberme dado la oportunidad y confiar en mi
para realizar este trabajo de tesis.

Gracias a los Drs. Sonia Guadalupe Mendoza Chapa y Mat´ıas Alvarado Mentado,

por sus valiosos comentarios durante la revisi´on del documento de tesis.

Gracias a mis padres por haberme apoyado durante esta etapa de mi vida.

Gracias al personal administrativo del Departamento de Computaci´on por su aten-
ci´on brindada en los tr´amites que fueron requeridos durante mi estancia en la maestr´ıa.

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Resumen

En el proceso de desarrollo de software existen diversas tareas como la especifi-
caci´on de requerimientos, el dise˜no, la programaci´on y depuraci´on. La falta de orga-
nizaci´on e integraci´on de estas fases y los constantes cambios de los requerimientos
afectan el proceso de software que conlleva a incosistencias entre la transici´on de una
fase a otra y retrasos en la finalizaci´on de un producto de sofware. Por otro lado,
la falta de una metodolog´ıa para el dise˜no de sistemas que consideren el manejo de
datos complejos (e.g. sistemas de informaci´on geogr´afica, sistemas de informaci´on
ambiental, biolog´ıa) aumenta el dominio del problema.

Para reducir la problem´atica mencionada, en esta tesis desarrollamos una herra-
mienta de modelado de datos con el objetivo de dise˜nar sistemas e integrar las fases
de desarrollo de los mismos, de tal manera que sea posible agilizar y automatizar las
tareas que engloban la creaci´on de sistemas. Se considera como caso de estudio el
dise˜no de un modelo de datos para un Sistema de Informaci´on Geogr´afica (SIG). La
herramienta permite crear tres tipos de modelos (base de datos, interfaz de usuario,
comportamiento) de manera gr´afica y son traducidos en documentos XML para su
posterior uso.

La principal contribuci´on de nuestro trabajo consiste en proporcionar una metodo-
log´ıa integrada en una herramienta para el desarrollo de modelos de datos de sistemas
que manejen datos complejos (e.g. SIGs). Un aspecto importante en el desarrollo de
este trabajo es el uso de tecnolog´ıas y herramientas de software de distribuci´on gratui-
ta para el desarrollo de aplicaciones con el prop´osito de aprovechar los beneficios que
ofrece el uso de este tipo de software como: reducci´on del costo, calidad, desempe˜no
y seguridad. Finalmente, la aplicaci´on de est´andares para datos geogr´aficos permite
seguir una norma respecto a la representaci´on de la informaci´on geogr´afica para poder
interoperar con otros sistemas que manejen datos geogr´aficos.

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Abstract

In the process of software deveploment there are a number of tasks such as specifi-
cation requirements, design, programming and debugging but, the lack of organization
and integration of these phases and the constantly changing of requirements affect the
software process that leads to inconsistencies between the transition from one phase
to another and delays in the completion of a software product. Therefore the absence
of a methodology for the design of systems that consider the management of complex
data (e.g. geographic information systems, environmental information systems, bio-
logy) increases the problem domain.

To reduce the problematic mentioned, in this thesis we developed a data modeling
tool with the goal of designing systems and integrating the phases of development of
the same in such a manner as possible to speed up and automate tasks that inclu-
de building systems. It is considered as a case study the design of a data model for
Geographic Information System (GIS ). The tool allows you to create three types of
models (database, user interface and behavior ) in graphical form and are translate
into XML documents for later use.

The main contribution of this thesis work is to provide an integrated approach in
a tool for the development of data models of systems that handle complex data (e.g.
SIGs). An important aspect in the development of this work is the use of technology
and free software tools application development, the purpose, reap the benefits offered
by the use of such software as: cost reduction, quality, performance and safety. Fina-
lly, the implementation of standards for geographic data allow to follow a standard
regarding the representation of geographic information to be able to interoperate with
other systems to handle geographical data.

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´INDICE GENERAL

Resumen

Abstract

´Indice de figuras

´Indice de tablas

1. Introducci´on

1.1. Panorama general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Antecedentes y motivaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1. CASE: Ingenier´ıa de Software Asistida por Computadora . . .
1.2.2. Programaci´on visual en sistema CASE . . . . . . . . . . . . .
1.2.3. Sistemas abiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Objetivo general
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Estructura de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Fundamentaci´on y modelos

2.1. Modelo de desarrollo de software

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ingenier´ıa dirigida por modelos
. . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.
2.1.2.
Ingenier´ıa inversa dirigida por modelos . . . . . . . . . . . . .
2.1.3. Desarrollo dirigido por modelos . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4. Arquitectura dirigida por modelos . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Modelo de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Metodolog´ıa de dise˜no de bases de datos . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Tipos de modelos de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3. Problemas abiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Sistemas de informaci´on geogr´afica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Fases de un proyecto SIG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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´INDICE GENERAL

2.3.2. Bases de datos geogr´aficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3. Modelo de datos en SIG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.4. Sem´antica de la informaci´on espacial
. . . . . . . . . . . . . .

3. Tecnolog´ıas y herramientas

3.1. API Java Swing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. Tecnolog´ıa XML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1. Estructura b´asica de un documento XML . . . . . . . . . . . .
3.3. Transformaci´on de documentos con XSLT . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Procesador dom4j . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Manejador de base de datos PostgreSQL . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1. PostGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .

3.6. Entorno de desarrollo integrado NetBeans

4. Est´andares para datos geogr´aficos

4.1. Seguimiento de est´andares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. La problematica del geoprocesamiento
. . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. OGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1. Funcionamiento de OGIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2. Beneficios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3. ´Ambito
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4. Modelo de datos geogr´aficos abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1. Representaci´on de los elementos geogr´aficos
. . . . . . . . . .
4.4.2. Ubicaci´on: lugar y tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3. Propiedades y coberturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.4. Sem´antica y metadatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.5. Geometr´ıas en elementos OGIS . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.
ISO/TC 211 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Esquema conceptual GeoFrame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5. Dise˜no de la soluci´on

5.2.1. Proceso de creaci´on del modelo de datos

5.1. Descripci´on del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Arquitectura propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .
5.3. Componentes del entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Caso de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1. Modelo de la base de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2. Modelo de interfaz de usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3. Modelo de comportamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5. Diagramas UML . . . . . . . . . . . . .