[en] In the past decades, much effort has been devoted to the integration of spatial information within more traditional information systems. To support such integration, spatial data representation technology has been intensively improved, from conceptual and discrete models for data representation and query languages, to indexing and visualization technologies and interoperability standards. As a result of all these efforts, Geographic Information Systems (GIS) are nowadays a widely used technology. The existing spatial databases technology provides standardized data models and operations [OGC06], based on conceptually solid spatial algebras. However, translating such conceptual models into physical models suitable for their implementation on computers, where only finite precision representations of the space can be used, becomes a difficult task. As a result, the current implementations of physical models are generally severely limited when compared to their conceptual counterparts. They attempt to provide an implementation fulfilling the original conceptual algebras, but at the physical level they cannot further ignore the problems of robustness and topological correctness arising from the use of finite precision numbers for representing spatial coordinates. This results in deceptive physical algebra implementations because they break most of the properties of the conceptual algebra that they rely on. More specifically, the physical models do not remain closed under the data types and operations of the algebra, and the solutions applied to address this problem, usually some kind of approximated result, do not fulfill the properties expected from the affected operation. The consequence is that the physical models fail to provide consistent implementations for the spatial operations. This makes development of applications that rely on the properties of the conceptual model (e.g., spatial analysis applications) much more complex, if not impossible. Moreover, even the implementation of the physical model itself becomes more complex, as it can not rely anymore on the theoretical basis of the conceptual model it is supposed to implement. The main goal of this research work is to provide a framework to develop spatial database extensions capable of fulfilling the key properties of the conceptual spatial algebra they implement. At the same time, the proposed framework meets the constraints imposed by nowadays real world GIS applications in terms of performance and resource requirements, as well as interoperability with existing applications and standards. To achieve this goal, we first analyze the current state of the art in spatial information representation. The main focus is on the way the different approaches deal with the limitations imposed by computers and the effects that these solutions have in the properties of the conceptual model they intend to implement. Second, we study the sources of these problems and propose a well-grounded physical model framework (called Dualgrid) to guarantee that the implementations of spatial algebras keep their key properties from the perspective of the user application. We also provide an example of such an implementation and experimental results on how such a framework solves the consistency and even the implementation problems of an existing and widely used spatial database extension. Third, we revisit our framework to extend its properties (DualgridFF) so that it is able to meet the additional restrictions imposed by current spatial applications, tools and interoperability standards (OGC).

[es] En las últimas décadas se ha dedicado un significativo esfuerzo a la integración de las tecnologías de Sistemas de Información Geográfica (SIG) con sistemas de información más tradicionales. Para dar soporte a esa integración la tecnología de representación de datos espaciales ha sido mejorada en múltiples aspectos, desde los modelos (conceptuales y discretos) de representación de datos y lenguajes de consulta a las tecnologías de indexación y visualización y a los estándares de interoperabilidad. Como resultado de estos esfuerzos, la tecnología de Sistemas de Información Geográfica es ampliamente utilizada en la actualidad en todo tipo de aplicaciones. Las tecnologías de bases de datos espaciales actuales ofrecen modelos de datos y operaciones estandarizados [OGC06], inspirados en álgebras espaciales con unas bases conceptuales sólidas. En contraste, las implementaciones existentes en la actualidad sufren severas limitaciones (en comparación con los modelos conceptuales que pretenden soportar), resultantes de las dificultades inherentes a traducir esos modelos conceptuales en modelos físicos susceptibles de su implementación en ordenadores, donde es necesario usar espacios de representación de precisión finita. A pesar del esfuerzo por ofrecer implementaciones que cumplan con el álgebra conceptual original, no es posible seguir ignorando a nivel físico los problemas de robustez y corrección topológica que surgen del uso de números de precisión finita para la representación de las coordenadas espaciales. El resultado son implementaciones que sólo cumplen en apariencia con las álgebra conceptuales originales, pero que en realidad incumplen la mayor parte de las propiedades en que están basadas esas álgebras. Más específicamente, los modelos físicos no mantienen sus propiedades de cierre bajo el conjunto de tipos de datos y operaciones implementados, y las soluciones aplicadas para solventarlo, normalmente algún tipo de resultado aproximado, no cumplen con las propiedades esperadas de la operación en cuestión. En consecuencia, el modelo físico resultante no es capaz de ofrecer una implementación consistente de las operaciones espaciales ofrecidas a los usuarios. Como resultado, el desarrollo de aplicaciones basadas en las propiedades del modelo conceptual (por ejemplo, aplicaciones de análisis espacial) se vuelve mucho más difícil, si no imposible. De hecho, incluso la implementación del propio modelo físico se vuelve mucho más compleja, al no poder apoyarse ni siquiera en las bases teóricas del modelo conceptual que se supone se está implementando. El objetivo principal de esta tesis es sentar las bases para el desarrollo de extensiones de bases de datos espaciales capaces de cumplir las propiedades clave del álgebra espacial conceptual en la que se basan, teniendo en cuenta además las restricciones impuestas por la realidad de las aplicaciones GIS actuales en términos de rendimiento y consumo de recursos y de interoperabilidad con las aplicaciones y estándares existentes. Para alcanzar dicho objetivo, se analiza primero el estado del arte actual en representación de información espacial, prestando especial atención a las limitaciones impuestas por los ordenadores y los efectos que esas soluciones tienen en el (in)cumplimiento de las propiedades del modelo conceptual. En segundo lugar, se estudian las raíces de esos problemas y se propone un marco teórico para el diseño de modelos físicos (Dualgrid) que garantiza que las implementaciones de álgebras espaciales basadas en él mantienen las propiedades clave desde el punto de vista de las aplicaciones de usuario. Como prueba de concepto, se muestra un ejemplo de una implementación basada en Dualgrid y resultados experimentales mostrando cómo su uso soluciona los problemas de consistencia y (incluso) de implementación de una extensión de bases de datos espaciales ampliamente utilizada. En tercer lugar, se revisita dicho modelo para extender sus propiedades (DualgridFF) con el fin de hacer posible el cumplimento de las restricciones adicionales (en términos de rendimiento, espacio de almacenamiento e interoperabilidad) impuestas por las aplicaciones, tecnologías GIS y estándares de interoperabilidad (OGC) existentes.