Georeferenciación de mapas antiguos con herramientas de código abierto

Introducción

En el año 2007 el Institut Cartogràfic de Catalunya (ICC) inauguró sus colecciones digitales de mapas y fotografías con el repositorio de la Cartoteca Digital¹. En 2012 ha superado las 34.000 imágenes en alta resolución de mapas y fotografías antiguas, documentos muy valiosos por su información pero que todavía tienen una carencia importante: no tienen geometadatos asociados, y por lo tanto no son todavía “geoinformación”. Tras esta experiencia hemos constatado que existe la necesidad de disponer de información georeferenciada en múltiples ámbitos de actividad, tanto académica como de negocio.

Algunas instituciones innovadoras han trabajado esta vertiente y ya han georeferenciado sus materiales cartográficos, tanto para facilitar la visualización -mediante Google Maps o Google Earth como en la colección de David Rumsey²-, como para poner en marcha un buscador geográfico como en el caso del proyecto Old Maps Online³ liderado por la University of Portsmouth o Maps of Australia⁴ promovido por la National Library of Australia. Otras instituciones como la British Library⁵, National Library of Scotland⁶ o el Nationaal Archief⁷ han impulsado proyectos colaborativos en línea, para que voluntarios georeferencien mapas antiguos digitales.

La posibilidad que un grupo de entusiastas pueda colaborar voluntariamente (conocido como crowdsourcing) para crear, reunir y mejorar la información geográfica permite a las cartotecas emprender proyectos de georeferenciación de materiales sin destinar grandes cantidades de recursos, y por tanto enfocar sus actividades a la tarea propia de difusión. OpenStreetMap⁸, Google Earth⁹ o los servicios WMS¹⁰ de los productores de mapas, proporcionan una base cartográfica sobre la cual los usuarios pueden georeferenciar los mapas ráster publicados previamente en las colecciones digitales. La Cartoteca del ICC, también apuesta por esta opción a partir de mayo de 2012 con su Georeferenciador¹¹: herramienta en línea integrada dentro de la Cartoteca Digital, con el objetivo de georeferenciar con la ayuda de los usuarios digitales 1.000 mapas.

En este caso práctico por otro lado, mostraremos el proceso a seguir para convertir una imagen de una colección digital en un mapa, utilizando herramientas al alcance de cualquiera.

Descarga

Para ilustrar este documento se escogió el “Mapa del principado de Cataluña y condado del Rosellon” de Francesc Xavier Garma i Duran¹², realizado en 1764 y del cual la Cartoteca Digital del Institut Cartogràfic de Catalunya¹³ dispone, en su sitio web, de una edición de 1830, con un permiso de uso válido para estudio o investigación.

Ilustración 1: Descarga del mapa de la Cartoteca Digital.

Para poder descargar el documento, en formato imagen JPG a 300 ppp, hay que ser un usuario registrado en la web del ICC, operación gratuita¹⁴ que comporta la aceptación de las condiciones de uso de los datos cartográficos y la información elaborada por el ICC.

Georeferenciación

Geoetiquetar (traducción del término inglés geotagging¹⁵) es el proceso mediante el cual se añade la descripción geográfica a cualquier tipo de objeto digital. Mucha de la información que utilizamos diariamente tiene esta componente geográfica, casi siempre implícita: las noticias “pasan” en algún sitio, la tienda de alimentación sabemos “dónde está”, y nuestros mapas antiguos muestran un territorio conocido que podemos asociar con un sitio actual, aunque la forma de ambos no sea exactamente la misma.

Si pensamos en esta información en términos geográficos, podemos convertir cada uno de estos sitios en un par de coordenadas tipo: XYUTM 429491, 4580390. En el caso de los mapas, no basta con un par de coordenadas sino que necesitamos proyectarlos sobre el terreno, y por lo tanto georeferenciarlos.

Georeferenciar

Así como los contenidos se geoetiquetan, los mapas se georeferencian. A diferencia del geoetiquetado, que solo necesita un punto, la georeferenciación sólo se puede hacer conociendo tres o más puntos del objeto que queremos manipular. Estos puntos se conocen como puntos de control (ground control point o gcp), ya que ayudan a colocar con precisión el mapa sobre la superficie terrestre tal y como la conocemos en la actualidad. Cuantos más puntos de control asignemos al mapa, más precisa será su georeferenciación. En el caso de los mapas antiguos es necesario hacer un reconocimiento previo del documento antes de georeferenciar, ya que habrá que encontrar sitios que sean fáciles de reconocer tanto en el mapa antiguo como en el mapa moderno que utilizaremos de referencia.

Lo primero que debemos plantearnos es pensar qué mapas son susceptibles de ser georeferenciados. En primer lugar, es altamente recomendable conocer en profundidad la historia del documento. Es esencial buscar sobre su alcance geográfico (historia de la zona, idiomas) y también hacer una aproximación al contexto histórico del documento cartográfico (vida del autor, herramientas utilizadas o la finalidad con la que es dibujó el mapa). Todo ello nos permitirá estimar la dificultad de la georeferenciación que vamos a emprender, y nos ayudará a crearnos unas expectativas razonables en cuanto a su resultado.

El proceso de georeferenciar consiste en asignar coordenadas a un determinado punto de la imagen (píxel). Cuantos más puntos de control seamos capaces de asignar a un mapa antiguo, más depurada será su georeferenciación. Por lo tanto, tenemos que hacer un estudio previo a la georeferenciación para localizar lugares singulares que hayan perdurado a lo largo del tiempo y sean fácilmente identificables, como por ejemplo iglesias, castillos, faros, y accidentes del terreno.

El número de puntos de control recomendable para la georeferenciación de cartografía antigua siempre será mayor de 3. Contra más antiguo sea el mapa o más imprecisa su representación del espacio, más puntos de controles necesitaremos. Como recomendación general, el rango óptimo de puntos de control necesarios será entre 20 y 100.

Tabla 1: Puntos de control recomendados según la antigüedad del mapa.

Conceptos básicos

El archivo digital del mapa, también llamado ráster, es un archivo de imagen en formato TIFF, JPEG, PNG u otros y que tendrá una cierta resolución, entendida como la densidad de píxeles por unidad de medida con que el original ha sido muestreado. Usualmente se considera 300 ppi una buena resolución para obtener la mejor calidad de reproducción, pero una resolución de 150 ppi en este tipo de documentos hace que el archivo sea mucho más pequeño y fácil de manipular sin perder información relevante. La resolución ligada a la escala del documento original permitirá conocer las dimensiones reales en el terreno de cada pixel de la imagen, y por tanto conocer la precisión que podremos obtener durante la georeferenciación.

El píxel 0,0 es el primer píxel de la imagen, es decir el píxel ubicado en la primera fila y la primera columna de la esquina superior izquierda donde podemos asignar la coordenada geográfica del archivo, que junto con el tamaño del píxel y la rotación del documento nos permitirá genera el archivo de georeferenciación mínimo conocido como “world file”, y que se llamará como el archivo de imagen pero con una extensión acabada en “w”.

Otro dato básico es la escala del mapa original, ya que tendremos que utilizar como base cartográfica actual un mapa de una escala similar con el fin de dar con precisión los puntos de control. Se pueden utilizar tanto servidores de mapas (WMS) como anotar de forma manual las coordenadas mediante algún visor básico como Google Earth.

Los diferentes sistemas de coordenadas expresan todos lo mismo, pero con diferentes unidades y empleando métodos diferentes de transformación, con lo que puede inducir errores y malentendidos en el proceso de georeferenciación. Por lo tanto es básico determinar las características tanto del documento original como de uso del documento georeferenciado, para poder escoger el sistema de coordenadas idóneo en cada caso.

Georeferenciar con QGIS

Para la georeferenciación se precisa de un Sistema de Información Geográfica (SIG, o GIS en inglés). Una buena elección es Quantum GIS¹⁶, conocido también como Qgis, por su simplicidad de uso y por que se trata de software libre y de código abierto.

Paso 1. Configurar el proyecto: definir en qué sistema de referència queremos trabajar. En Catalunya será EPSG 23031, que equivale a UTM 31 N.

Ilustración 2: Definición del proyecto en Qgis.

Ilustración 3: parámetros del proyecto.

Paso 2. Añadir una capa base: es recomendable utilizar una base topográfica de una escala detallada, y combinarla con una base cartográfica de una escala similar a la del documento antiguo. Se puede utilizar una base propia georeferenciada o un WMS conegut. Muchos productores de cartografía ponen a disposición del público este tipo de geoservicios. Por ejemplo:

• Catalunya: Institut Cartogràfic de Catalunya¹⁷
• España: Infraestructura de Datos Espaciales (IDEE)¹⁸
• Europa: Infraestructura de Datos Espaciales (IDE)¹⁹
• Mundo: otra cartografía generalista de ámbito mundial como Google Earth
  
  
  
  Ilustración 4: Carga del servicio WMS del ICC.

En este estadio nuestro proyecto tiene definidos los parámetros correctos y muestra el mapa base sobre el que vamos a trabajar como se ve en la ilustración 5.

Ilustración 5: Vista del mapa WMS de referencia.

Paso 3. Cargar la imagen ráster (.tiff, .jpg o .png) en el complemento georeferenciador. QGIS ofrece una extensión llamada Georeferencer que permite ver la imagen del mapa que vamos a georeferenciar, y proporciona una interface simple para facilitar la identificación de pares de puntos homólogos entre el mapa antiguo y la base de referencia.

Ilustración 6: Mapa antiguo en el módulo de georeferenciación.

Paso 4. Asignar puntos de control. Si hemos añadido una capa base podemos seleccionar los puntos de control haciendo clic con el ratón en el mismo punto tanto en el mapa antiguo como la base actual. En caso contrario habrá que introducir manualmente las coordenadas de cada punto.

Como hemos comentado anteriormente, sólo con 3 puntos de control la imagen se puede reproyectar, pero es recomendable asignar el mayor número de puntos de control de calidad con el objetivo de mitigar las posibles deformaciones del mapa antiguo. Otra medida importante es conseguir que los puntos de control estén dispersos por la mayor parte de la superficie del mapa – centro del mapa, todas las esquinas -, y bien repartidos para obtener una transformación más precisa.

Ilustración 7: Toma de GCP.

Paso 5. Transformación del documento. Según el número de puntos de control añadido y el resultado buscado, deberemos aplicar una transformación.

• La más simple es la transformación lineal, la cual se puede aplicar a partir de 3 puntos de control. El archivo resultante será un World file que acompañará a la imagen sin reproyectar. Será la aplicación de destino la que se encargará de tomar esa información de georeferenciación para moldear la imagen sobre el terreno.
• El resto de transformaciones crean una copia modificada del archivo raster (el .tiff, .jpg o .png inicial) ya que transformará la imagen per proyectarla sobre el espacio.
  
  
  
  Ilustración 8: Vista de los 67 GCP asignados en el mapa antiguo.

Después de la georeferenciación obtendremos los siguientes archivos:

• .points: donde se guarda la información de todos los puntos de control asignados (coordenadas XY).
• Archivo georeferenciado: el archivo creado de nuevo en el momento del cálculo de la transformación, que contendrá los geometadatos en la propia cabecera.
• World file²⁰, que contiene la información básica mínima de georeferenciación: la coordenada UTM del píxel 0,0, la rotación en grados y el tamaño del píxel en metros. Mantendrá el mismo nombre que el archivo de imagen con que hemos trabajado, pero cambiará la extensión:
  • TIFF a .TFW
  • PNG a .PNW
  • JPEG a .JGW
    
    
    
    Ilustración 9: El mapa antiguo reproyectado y cargado en el proyecto.

Paso 6. Verificar que el resultado final es el deseado, y jugar con las opciones de transparencia de las capas para ver las diferencias entre el mapa antiguo y la base actual. Añadir más puntos de control y repetir el proceso de cálculo si se quiere refinar el resultado o mejorar la precisión de la transformación.

Aunque que la toma de puntos de control haya sido muy precisa, y tengamos en nuestro proyecto muchos puntos de control establecidos con gran exactitud, el paso del tiempo con su efecto sobre el soporte original combinada con la mejora y la evolución de las herramientas cartográficas y de medición desde la creación del documento original, siempre se harán presentes en el resultado.

Ilustración 10: Antes y después de la transformación.

Es este punto nuestro documento antiguo georeferenciado ya se puede usar en cualquier proyecto, y mezclar con otras capas de información para llevar a cabo distintos estudios.

Ilustración 11: Combinación con capas actuales de límites administrativos y toponimia.

Publicación en la web

El último paso para visualizar y compartir el mapa antiguo en un entorno amigable es obtener un documento que pueda cargarse en Google Earth, la herramienta de visualización de mapas más utilizada en el mundo además de gratuita.

Google Earth permite visualizar todo tipo de documentos cartográficos y datos sobre la base de un mapa de imagen de todo el mundo, con una interface muy simple. Además, permite controlar la transparencia de capas, característica útil para comparar.

El formato de archivo aceptado por Google Earth es KML o la versión comprimida KMZ. Para generar este formato a partir de un documento georeferenciado utilizaremos MapTiler, que es también un programa de código abierto y gratuito.

Paso 1. Configurar el proyecto: definir en qué sistema de referencia queremos trabajar. En Cataluña será EPSG 23031, equivalente a UTM 31N.

Ilustración 12: Carga de la imagen georeferenciada.

Paso 2. Escoger el archivo georeferenciado que hemos creado con QGis. Comprobar que efectivamente lo reconoce como un archivo georeferenciado.

Ilustración 13: Asignación del sistema de coordenadas.

Paso 3. Seleccionar el Sistema de Referencia Espacial (SRS) de la lista de opciones, de forma que coincida con el que hemos utilizado en QGis en el momento de definir el proyecto (para Cataluña es EPSG 23031). En este momento podemos comprobar si el mapa georeferenciado corresponde con la ubicación en el mundo real. En caso contrario hay que revisar: si la imagen cargada es la correcta; o si la definición del SRS no coincide con la seleccionada en el proyecto.

Ilustración 14: Comprobación del proyecto.

Paso 4. A partir de aquí hay que seguir las instrucciones en pantalla para definir algunos parámetros de nuestro proyecto:

• Niveles de zoom y formato de salida: las opciones que nos sugiere por defecto están adaptadas al mapa que hemos cargado, así que es innecesario modificarlas. 
• Destino: el directorio local donde guardaremos el resultado de la generación, y la URL de destino de los archivos. Aquí habrá que definir correctamente esta dirección web, pues es la que nos permitirá compartir el resultado de nuestro esfuerzo y hacerlo accesible por Internet. 
• Visualizadores: podemos escoger en qué formatos vamos a generar la salida, según el uso que queramos dar a nuestro mapa georeferenciado.
• Detalles de los visualizadores: asignaremos un título para nuestro proyecto y una nota con los permisos y copyright. También deberemos introducir nuestras claves de Google o Yahoo si pretendemos usarlo con la API de Google MAps o la ID de Yahoo. 
• Empezará el proceso de recorte y generación de teselas del mapa, hasta obtener una carpeta con los archivos y los documentos KML necesarios para visualizarlos.
  

Paso 5. El resultado final es una carpeta con las teselas y los KML. La trasladamos a nuestro servidor web (en la URL que hemos especificado en el paso 4), y se enlaza desde Google Earth como un Network Link o se accede a la página HTML creada por el programa para visualizar el mapa. Este servidor web puede residir en la misma máquina dónde se ha llevado a cabo el proceso, si utilizamos por ejemplo XAMPP. Si el servidor web es público, el mapa georeferenciado será accesible a toda la comunidad.

Ilustración 15: Visualización en distintos entornos web.

Análisis de exactitud

Con la ayuda de MApAnalyst²¹ – otro programa de código abierto y gratuito, desarrollado por el Institute of Cartography ETH de Zurich-, podemos analizar las características y visualizar las deformaciones del mapa antiguo.

Es una herramienta muy útil para conocer aspectos del mapa antiguo como la escala, y también para confirmar la precisión de nuestra georeferenciación.

Ilustración 16: Análisis con GCP en Mapanalyst.

El análisis de deformaciones se puede visualizar como una malla, vectores de desplazamiento o isolíneas. Con esta información podemos determinar la viabilidad del proyecto o averiguar si necesitamos mejorar la georeferenciación asignando más puntos o corrigiendo posiciones.

Puesto que sabemos que la imagen descargada de la web del ICC está a una resolución de 300 puntos por pulgada como afirman sus metadatos, podemos calcular el tamaño del píxel en 34.93 metros. Esta será la precisión que podremos conseguir al posicionar los gpc, tanto para la georeferenciación como para el análisis de exactitud. Además, nos proporciona una idea de la complejidad del proyecto.

Otro dato que proporciona MapAnalyst es la escala del documento original (en el ejemplo, 1:412 600). En este caso hemos comprobado que la escala estimada no coincide con la real del documento original. En los metadatos del ICC se especifica que las dimensiones del archivo digital son 79 x 76 cm (se ha de despreciar además la orla negra), y las dimensiones del documento original son 96 x 93 cm. Un cálculo aproximado resultaría una escala de 1:341 000.

Ilustración 17: deformaciones del mapa antiguo.

Bibliografia sobre georeferenciación

ALBERICH, Jordi, (coord.) et al. Comunicación audiovisual digital: nuevos medios, nuevos usos, nuevas formas. Barcelona: UOC, 2005.

Cómo referenciar un mapa histórico: Declaración de intenciones: http://www.expobus.us.es/cartografia/salas/sala12/georreferenciarMH.pdf Sevilla: Biblioteca de la Universidad de Sevilla, 2010. [Consulta: 18/05/2012]

Geographic names: the implementation of a gazetteer in a georeferenced digital library: http://www.dlib.org/dlib/january99/hill/01hill.html [Consulta: 18/05/2012]

Georefencing using Quantum Gis (QGIS). National Library of Scotland [en línea] http://geo.nls.uk/urbhist/guides_georeferencingqgis.html [Consulta: 18/05/2012]

GONZALEZ, Jorge A. Problems that arise when providing geographic coordinate information for cataloged maps. http://purl.oclc.org/coordinates/b8.htm [Consulta: 18/05/2012]

PRIDAL, Petr. From paper to screen: putting maps on the web [en línea]. British Cartographic Society, Map Curators’ Group Workshop 2009, Edimburgo 9-11 Septiembre 2009. http://www.cartography.org.uk/default.asp?contentID=900 [Consulta: 18/05/2012]

ROMERO FERNÁNDEZ, Miguel. Proceso de georeferenciación de la Cartografía histórica [en línea]. Universidad de Sevilla. Disponible en: http://www.expobus.us.es/cartografia/salas/sala12/georreferenciacion.html [Consulta: 18/05/2012]