Análisis geoespacial para la caracterización funcional de las infraestructuras viarias en modelos de accesibilidad territorial utilizando sistemas de información geográfica

Abstract

[Resumen] La aplicación de los Sistemas de Información Geográfica (SIG) sobre las infraestructuras viarias representa un importante reto en la ingeniería civil actual y del futuro. Bajo la teoría personal que defendemos en este proyecto, de que cualquier dato o saber manejado por el hombre es susceptible de representarse sobre la superficie terrestre, los SIG se convierten en un magnífico instrumento para aumentar el conocimiento humano sobre cualquier realidad. Las nuevas tecnologías ofrecen múltiples posibilidades para aportar datos a los SIG en cualquier campo, y por supuesto sobre las características y el funcionamiento de las carreteras. Pero se requieren nuevos enfoques, planteamientos y metodologías para tratar adecuadamente los datos viarios, y conseguir análisis más completos para una gestión más eficiente de estas infraestructuras. Esta tesis doctoral propone un método para realizar una parametrización mediante geometría de secuencia de puntos, que permite caracterizar todas las variables técnicas y funcionales que afectan o influyan sobre una infraestructura territorial de trazado lineal, en general, y particularmente sobre una red de carreteras. Gracias a la versatilidad que proporciona este método es posible asignar multitud de parámetros a cada sección del viario, provenientes de distintas fuentes de datos a través de diferentes tecnologías, y tratarlos convenientemente para generar nueva información a partir de ellos. También se permite realizar simplificaciones geométricas de la información mediante la tramificación temática según los aspectos que se necesite, para que pueda manejarse con mayor facilidad sobre los SIG, y ejecutar sobre esos datos diferentes métodos de análisis geoespacial. La funcionalidad de la red viaria puede analizarse desde múltiples perspectivas, pero sin duda una de las más eficientes y recomendables es mediante el cálculo de la accesibilidad que proporcionan las carreteras en un determinado territorio. Aunque existen gran variedad de modelos de cálculo de accesibilidad, el algoritmo de Coste Distancia basado en superficies de costes acumulados, se presenta como uno de los más interesantes sobre SIG, debido a la facilidad para incorporar datos al modelo ráster, y a que obtiene resultados de accesibilidad en cualquier lugar del ámbito geográfico analizado. Sin embargo su operativa de cálculo limita la aplicación de este algoritmo cuando se dispone de modos de desplazamiento especializados con limitación de accesos, como por ejemplo ocurre en vías de alta capacidad o prestaciones como autopistas, autovías, etc. En esta tesis doctoral se proponen dos métodos para superar esta limitación, mediante la Suma de Costes Parciales y con el algoritmo Coste Distancia Condicionado. Este último, además de conseguir modelar con gran fiabilidad cualquier modo transporte sobre la superficie terrestre, ofrece nuevas posibilidades de análisis sobre los modelos ráster gracias a la aplicación de restricciones condicionadas en los cálculos a ejecutar entre celdas vecinas. Las aplicaciones prácticas realizadas durante la investigación, de estos métodos, tanto la parametrización mediante geometrías de puntos, como los dos nuevos modelos de accesibilidad, muestran su grado de validez y eficacia para el análisis geoespacial de las infraestructuras viarias.

[Resumo] A aplicación dos Sistemas de Información Xeográfica (SIX) sobre as infraestructuras viarias representa un importante reto na enxeñería civil actual e futura. Baixo a teoría persoal que defendemos neste proxecto, de que calquera dato ou saber manexado polo home é susceptible de representarse sobre a superficie terrestre, os SIX convértense nun magnífico instrumento para aumentar o coñecemento humano sobre calquera realidade. As novas tecnoloxías ofrecen múltiples posibilidades para aportar datos aos SIG en calquera campo, e por suposto sobre as características e o funcionamento das estradas. Pero requírense novos enfoques, formulacións e metodoloxías para tratar adecuadamente os datos viarios, e conseguir análises máis completas para unha xestión máis eficiente destas infraestructuras. Esta tese de doutorado propón un método para realizar unha parametrización mediante xeometría de secuencia de puntos, que permite caracterizar todas as variables técnicas e funcionales que afecten ou inflúan sobre unha infraestructura territorial de trazado lineal, en xeral, e particularmente sobre unha rede de estradas. Gracias á versatilidade que proporciona este método é posible asignar multitude de parámetros a cada sección do viario, provintes de distintas fontes de datos a través de diferentes tecnoloxías, e tratalos convenientemente para xerar nova información a partir deles. Tamén se permite realizar simplificacións xeométricas da información mediante a tramificación temática segundo os aspectos que se necesite, para que poida manexarse con maior facilidade sobre os SIX, e executar sobre eses datos diferentes métodos de análise xeoespacial. A funcionalidade da rede viaria pode analizarse desde múltiples perspectivas, pero sen dúbida una das máis eficientes e recomendables é mediante o cálculo da accesibilidade que proporcionan as estradas nun determinado territorio. Aínda que existen gran variedade de modelos de cálculo de accesibilidade, o algoritmo de Custo Distancia baseado en superficies de custos acumulados, preséntase como un dos máis interesantes sobre SIX, debido á facilidade para incorporar datos ao modelo ráster, e a que obtén resultados de accesibilidade en calquera lugar do ámbito xeográfico analizado. Con todo a súa operativa de cálculo limita a aplicación deste algoritmo cando se dispón de modos de desprazamento especializados con limitación de accesos, como por exemplo ocorre en vías de alta capacidade ou prestacións como autoestradas, autovías, etc. Nesta tese de doutoramento propóñense dous métodos para superar esta limitación, mediante a Suma de Custos Parciais e co algoritmo de Custo Distancia Condicionado. Este último, ademáis de conseguir modelar con gran fiabilidade calquera modo transporte sobre a superficie terrestre, ofrece novas posibilidades de análises sobre os modelos ráster gracias á aplicación de restriccións condicionadas nos cálculos a executar entre celas veciñas. As aplicacións prácticas realizadas durante a investigación, destes métodos, tanto a parametrización mediante xeometrías de secuencia de puntos, como os dous novos modelos de accesibilidade, mostran o seu grado de validez e eficacia para a análise xeoespacial das infraestructuras viarias.

[Abstract] Application of Geographic Information Systems (GIS) on road infrastructure represents a major challenge in civil engineering of today and tomorrow. Under the personal theory that I defend in this project, namely that any data or knowledge handled by humans is likely to be represented over Earth’s surface, the GIS becomes a great tool for increasing human knowledge of any reality. New technologies offer many opportunities to provide GIS data in any field, and of course on the features and operation of the roads. But, new approaches, proposals and methodologies are needed to properly treat road data and get best analysis for a more efficient management of these infrastructures. This dissertation proposes a method to perform a parametrization using a sequence of points to characterize all technical and operating variables that affect or influence on a linear path infrastructure, in general, and particularly on a road network. Thanks to the versatility provided by this method it is possible to assign multiple parameters to each road section, from different data sources through different technologies, and treat them accordingly to generate new information from them. It also allows geometric simplifications of the information by connecting the dots on thematic stretchs, so it could be more easily handled on GIS, to run on these data different spatial analysis. Functionality of the road network can be analyzed from multiple perspectives, but certainly one of the most efficient and recommended is by calculating the accessibility provided by the roads in a given territory. Although there are a variety of methods for accessibility calculations, Cost Distance algorithm based on accumulated cost surfaces, is presented as one of the most interesting on GIS, because it is ease to incorporate raster data to the model, and because it gets results anywhere of the geographic region analyzed. However, its calculation method limits the application of this algorithm when there are specialized travel modes with limited access, such as occurs in high capacity roads. In this thesis, two methods are proposed to overcome this limitation by means of Partial Costs Sum algorithm and by means of Conditional Cost Distance algorithm. The latter, models with high reliability any transport mode on the surface, and offers new possibilities for analysis of raster models by applying conditional constraints to perform calculations between neighboring cells. Practical applications made during the investigation of these methods, parameterization by means sequence of points, and the two new models of accessibility, show their degree of validity and effectiveness for geospatial analysis of road infrastructure.