Almacenamiento raster implementando GridFS en la base de datos MongoDB

Raster Data Storage in Big Data Infrastructures: Implementing the GridFS Tool for a MongoDB Database

Marco Antonio López Vega*, Stephane Couturier** y Daniel Gonzalo Hernández Rivera***   

*Instituto de Geografía (IGg) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), marco@igg.unam.mx
** IGg de la UNAM, andres@igg.unam.mx
*** IGg de la UNAM, isamux_fca@hotmail.com
Nota: esta investigación se realizó en el marco del proyecto número 208637 de fondos sectoriales CONACYT-INEGI-VISTA-C y del proyecto de Laboratorios Nacionales LN295081, por lo que se agradece a las instituciones mexicanas que favorecen la investigación pública.

PDF EPUB Edición: Vol. 9 Núm. 1, enero-abril 2018.

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La modificación del paradigma actual de trabajo con los datos espaciales representa un hito en la evolución de los sistemas de información geográfica. La implementación de nuevos formatos y bases de datos espaciales se derivan de la necesidad de resolver viejos problemas en la gestión de la información geográfica. La integración de tecnologías del tipo Big Data ofrece nuevas soluciones y posibilidades en el desarrollo de sistemas que apoyen a quienes toman decisiones. GridFS ofrece una manera de almacenar la información del tipo raster y permite la interoperabilidad con bases de datos espaciales del tipo NoSQL, como lo es MongoDB. En este artículo se describe la implementación de esta tecnología y se ofrece una alternativa para la gestión de datos espaciales, en especial del tipo raster.

Palabras clave: SIG; Big Data; raster; GridFS; MongoDB. 

 

There has been a shift in the paradigm associated to the organization of spatial data, which is currently a challenging topic for the Geographic Information Science. The emergence of new formats and database types is responding to old problems in the management of geographic information. Recently, Big Data technologies offer new opportunities for the development of systems for decision making. In this context, GridFS is a recent tool to store information of the raster type, which ensures interoperability with NoSQL database types, such as MongoDB. This article describes how this technology is implemented in a real project and presents GridFS as an alternative, efficient way for the management of Raster type data.

Key words: GIS; Big Data; Raster; MongoDB. 


Recibido: 1 de marzo de 2017
Aceptado: 5 de julio de 2017


I. Introducción 

Durante las últimas décadas, las organizaciones que desarrollan y utilizan sistemas de información geográfica (SIG) se han enfrentado a un gran reto debido a la complejidad de los datos espaciales (la combinación de alfanuméricos y multidimensionales). A lo largo de la evolución de los sistemas de almacenamiento espacial, se han creado diversas soluciones para organizar la información, tanto para los datos vector como para los raster, formadas por una malla de valores con filas y columnas, donde cada pixel representa un valor (Mcinerney y Kempeneers, 2015). Una manera sencilla y estructurada para realizar dicha tarea es la implementación de una base de datos (BD) espaciales relacionales.

Los raster, por su tamaño y complejidad, siempre han sido un reto mayor en su almacenamiento y gestión. En efecto, cuando se examinan los diferentes SIG que actualmente están operando, la gestión de estos datos llega a significar problemas de despliegue y procesamiento. Es necesario tomar en cuenta que no es una simple imagen que se puede almacenar como un objeto binario.

Si bien durante muchos años se implementaron bases de datos relacionales —como ORACLE, PostgreSQL (PostGIS) y Microsoft SQL— para almacenar los de tipo raster (Yeung y Hall, 2007), éstas han denotado restricciones significativas. El principal reto empieza por el despliegue; por lo normal, un raster es de gran tamaño, y si no se cuenta con un sistema lo suficientemente robusto para procesar el archivo tanto en su consulta en la base de datos como para su despliegue en la aplicación GIS o vía web, el desempeño del sistema que esté a cargo de alojarlo será subóptimo.

En esta investigación —y como parte de la construcción de la plataforma Visualizador de Información Satelital, Tendencias Ambientales y Clima (VISTA-C), financiada por el Fondo Sectorial Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT)-Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), y desarrollada en el Instituto de Geografía (IGg) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)— implementamos nuevas tecnologías para robustecer el almacenamiento, la gestión y el despliegue de datos raster en plataformas nacionales.

En este artículo, describimos los esfuerzos antecedentes a nuestra investigación (sección II) y presentamos las características de la herramienta GridFS (sección III); luego, explicamos la tendencia tecnológica en centros de datos a nivel internacional (sección IV) y nuestra plataforma VISTA-C en particular (sección V), la cual incluye los requerimientos del almacenamiento (V.1.), la estructura de software del sistema (V.2.), nuestra propuesta para el almacenamiento de los datos raster (V.3.), la infraestructura de hardware (V.4.) y, finalmente, los impactos que ha tenido la plataforma en funcionamiento (V.5.).

II. Antecedentes

Para la integración de los raster en una base de datos, se debe seleccionar un tipo de dato que permita modelar una estructura organizacional. Diferentes tipos se han implementado, como: Binary Large Object (BLOB), Raster y Geomval, los cuales corresponden a una BD relacional (Yeung y Hall, 2007).

Las bases de datos relacionales se caracterizan por el uso de tablas con información que están relacionadas mediante llaves que permiten tener elementos únicos dentro de la base, las cuales se han desarrollado desde la década de los 70 (Yeung y Hall, 2007), pero no representan una manera óptima de organizar, gestionar y almacenar la información espacial; muestran fallas, como: repetición de ésta y poco poder de procesamiento con archivos de gran tamaño, ya que se presentan cuellos de botella en las entradas y salidas de los datos dentro de los sistemas debido al manejo de datos alfanuméricos y multidimensionales. Es por ello que, más recientemente, se han desarrollado nuevas formas que permiten erradicar dichos problemas de las BD relacionales.

La presente era y cultura digital posibilitan la generación de una gran variedad de datos, de tal manera que nuestra interacción con dispositivos móviles permite la creación de datos en diferentes formatos, por lo normal de gran tamaño, ya que la periodicidad de los mismos puede incrementar significativamente nuestro acervo.

Los raster poseen características especiales denominadas espaciales, las cuales no se presentan en los que comúnmente llamamos tipos de datos alfanuméricos; éstas son: georreferencia espacial, resolución, coordenadas extremas, número de pirámides y metadatos (Mcinerney y Kempeneers, 2015).

En las últimas décadas se han incrementado los acervos de datos espaciales, tanto vectoriales como raster, pero estos últimos representan el porcentaje más elevado. El uso de diferentes sistemas satelitales para su adquisición (imágenes raster), así como fotografías aéreas, representan siempre un gran reto al momento de su almacenamiento y gestión.

Las nuevas herramientas tecnológicas para almacenamiento y análisis masivo, denominadas Big Data, tienen como principal objetivo gestionar datos de gran tamaño, como el de tipo raster, ya que en sus características esenciales (volumen, veracidad, velocidad y variedad) lo hacen un elemento idóneo para explotar todas las nuevas características poderosas de dicha tecnología (Bessis y Dobre, 2014). Actualmente, tenemos sistemas que gestionan la información de una forma diferente a las antiguas BD relacionales. Las bases de datos denominadas NoSQL —no solo SQL— nos permiten organizar los datos de una nueva manera, rompiendo el paradigma establecido desde hace más de 40 años (Yeung y Hall, 2007).

Las BD NoSQL nacieron debido a las necesidades de almacenar una gran cantidad de datos. Difieren de las relacionales ya que se pueden organizar por medio de archivos, columnas, gráficos y llaves. Debido a la naturaleza de los datos raster (su gran tamaño y periodicidad) hacen que este tipo de BD sea una solución adecuada para su gestión y almacenamiento. La implementación de nuevos formatos y lenguajes de programación de alto nivel proporcionan un comportamiento más ágil tanto en las consultas como en las operaciones de lectura y escritura.

Una de las variantes de este nuevo tipo de bases de datos es la denominada por documentos, en la que se establece una estructura organizacional implementando un formato llamado JavaScript Object Notation (JSON). Una de las limitantes para este tipo de datos es el tamaño máximo de 4 gigabytes (GB). MongoDB es una BD NoSQL que funciona por documentos y proporciona una solución a este problema implementando una manera para almacenar y gestionar archivos de gran tamaño denominado GridFS (Dheeraj y Sinha, 2005).

El objetivo de este artículo es relatar la exploración de esta forma y otras herramientas (Studio 3T, Pymongo y Python) de Big Data para visualizar, gestionar y distribuir información satelital sobre tendencias ambientales y clima en el ámbito del proyecto institucional VISTA-C —como parte de la estación de adquisición, almacenamiento y procesamiento de imágenes de satélite (estación ERISA1 ) ubicada en el Laboratorio Nacional de Observación de la Tierra (LANOT) en el IGg de la UNAM, México—, así como para mejorar e implementar un diseño realizado anteriormente con este propósito (López Vega et al., 2015), resolviendo las dificultades encontradas.

III. Características de GridFS

Las BD espaciales relacionales implementan tipos de datos (raster y BLOB) para almacenar información de gran tamaño, pero GridFS construye dos tipos de elementos (colecciones), Chunks y Files, mediante los cuales se pueden almacenar datos raster que, regularmente, son de gran tamaño y representan la mayor parte de nuestra carga en un SIG. Los dos elementos funcionales de GridFS permiten guardar en su primera parte el nombre del archivo y sus metadatos; en la segunda se integra el dato que, a su vez, es dividido en varias piezas (Chunks) para un manejo óptimo en su almacenamiento. Las piezas tienen un tamaño estándar de 256 kilobytes (KB), el cual puede ser modificado por el usuario, dependiendo del tipo de archivo con el que se trabaje. Esta particularidad nos permite trabajar con elementos raster, proporcionado una nueva forma de gestionar datos espaciales de una manera más eficiente (Dheeraj y Sinha, 2005). 

Algunas ventajas principales de GridFS son:

• Acceso directo para optimizar las entradas y salidas de datos.
• Capacidad automática de gestión.
• Bajo costo.

IV. Centros de datos

Actualmente, éstos se componen de una colección de sistemas de almacenamiento. La implementación de virtualización y la red en la nube han permitido dar una solución temporal a sus problemas de almacenamiento. Sin embargo, por lo regular, se requieren de grandes inversiones financieras, ya que integran una infraestructura de redes, generadores y sistemas de respaldo de energía. Las nuevas generaciones de los centros de datos se enfocan más en la importancia del software que en el hardware, así centralizamos un mayor poder en los gestores de BD y en el sistema operativo en sí.

El establecimiento de nuevos paradigmas de funcionamiento en términos de bases de datos espaciales NoSQL nos lleva a la implementación de herramientas tecnológicas nuevas, como MongoDB y MongoChef (Studio 3T), las cuales interactúan con un sistema operativo Linux. Cabe mencionar que toda su plataforma está formada con software libre (Plugge et al., 2010). La utilización de GridFS en una combinación de MongoDB y Geoserver en arquitecturas de datos híbridas nos permite procesar y analizar datos de una forma diferente a la que se tiene con sistemas relacionales espaciales, ya que utiliza una manera de organización por medio de archivos que difiere de la estructura de llaves primarias con relaciones entre tablas. Esto hace posible desarrollar una nueva infraestructura de datos, formando una arquitectura más dinámica y rápida. Eso nos faculta a construir soluciones más fácilmente, aumentando la capacidad del análisis de los datos.

V. Proyecto VISTA-C

Éste propone poner a disposición del Mapa Digital de México del INEGI un acervo de variables climáticas y de contaminación atmosférica derivadas de imágenes satelitales NOAA y de modelos numéricos climáticos de gran robustez en formato raster.

El objetivo de este proyecto es la creación de una plataforma cartográfica en línea para tendencias ambientales y clima, incluyendo un visualizador dinámico (Couturier et al., 2017). Después del análisis de la información con la que se cuenta para su desarrollo, se estableció que 90% de los datos son del tipo raster. Los metadatos de dicha información son parte esencial de la estructura del sistema, ya que en ellos se encuentran los elementos descriptivos de los datos.

VISTA-C se diseñó para que utilice solo software libre y para que su interfaz principal use una BD relacional (PostgreSQL-PostGIS); se emplea el software Geoserver para la implementación de la interfaz de visualización, que es una aplicación ampliamente utilizada en sistemas de esta naturaleza (Lacovella y Youngblood, 2013). De una forma paralela, se desarrolló la infraestructura con una base de datos NoSQL (MongoDB).

V.1 Requerimientos del almacenamiento

El sistema de almacenamiento representa un reto debido a las diferentes tecnologías que hoy en día están disponibles. Los puntos esenciales que éste debe cumplir son:

• Arquitectura flexible.
• Facilidad para escalar.
• Facilidad de gestión.
• Rápida implementación.

El rol de la tecnología está cambiando, actualmente no se puede pensar en un sistema de almacenamiento como un dispositivo aislado, la integración con la arquitectura y la aplicación con la que interactúa el usuario final es esencial.

V.2 Estructura de software

Para este proyecto, se diseñó un sistema de almacenamiento masivo que se encargara de contener la base de datos espacial. El sistema operativo con el que cuenta es Linux en su versión CentOS 7 y el de archivos que se implementa es Hadoop, el cual permite la integración y gestión de volúmenes de gran tamaño. Para la construcción y gestión de la BD MongoDB, se utiliza la aplicación MongoChef.

Si bien MongoDB tiene una restricción con los documentos superiores a los 16 megabytes (MB) —Binary JavaScript Object Notation (BSON)—, la implementación de GridFS nos permite dividir los archivos más grandes (como los raster, ver tabla 1). De esta manera, podemos integrar nuestros archivos, que representan la mayor parte de nuestra información.

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Ejemplo de archivos raster que se utilizan en este proyecto:

n18.081221.2059.ndvi.bil
n18.081221.2059.ndvi.contents
n18.081221.2059.ndvi.hdr
n18.081221.2059.ndvi.sta
n18.081221.2059.ndvi.xml

V.3 Forma de almacenamiento de los datos raster

Para la automatización del procesamiento y almacenamiento de la información en la base de datos, se desarrolló un programa para depositar todos los archivos raster de un mismo directorio e insertarles los metadatos correspondientes en la BD MongoDB. Ya que los datos se reciben con un formato diferente al que utiliza este sistema, se deben realizar tareas adicionales. Las tareas de este programa incluyen la organización de la información, creación de las colecciones en la base y la estructuración de los metadatos.

Por sus ventajas en multiplataformas —se pueden implementar aplicaciones en Windows y Linux sin necesidad de realizar cambios en el programa—, fue seleccionado el lenguaje de programación Python. Al ser un lenguaje interpretado no se necesita compilar el código fuente para poder ejecutarlo, lo que da grandes ventajas, como: una gran rapidez en la ejecución, fácil aprendizaje, está orientado a objetos y es para propósitos generales.

Los módulos necesarios para el funcionamiento del programa son:

1. Pymongo: es una distribución de Python que contiene herramientas para trabajar con la base de datos MongoDB.
2. GridFS: es una especificación de almacenamiento para documentos BSON que exceden el límite de 16 MB.
3. OS: provee una manera de usar las funcionalidades del sistema operativo que se esté utilizando, como Windows, Mac o Linux.
4. Glob: encuentra los patrones que se especifiquen para nombres de archivos usando las reglas del Shell de UNIX.
5. re: cuenta con funciones para trabajar con expresiones regulares y cadenas.

Variables:

1. IP: la dirección (xxx.xxx.xxx.xxx) del servidor donde reside la BD MongoDB.
2. BASEDATOS: nombre de la BD en MongoDB.
3. USUARIO: nombre del usuario de la BD en MongoDB.
4. PASSWORD: la palabra clave del usuario de la BD MongoDB.
5. COLECCION: el nombre que se le va a dar a la colección de datos a almacenar en la BD MongoDB (el programa se encarga de crearla).

La instrucción para efectuar la conexión con la BD MongoDB es:

from pymongo import MongoClient
client = MongoClient(IP)
db = client[BASEDATOS]
db.authenticate(USUARIO, PASSWORD, source=BASEDATOS)

Uso del módulo GridFS en Python:

fs = gridfs.GridFS(db, collection=COLECCION)

Instrucción para realizar la búsqueda de todos los archivos con terminación bil:

for filename in glob.glob('*.bil'):
file = open(filename, 'rb')

Se utiliza el mismo nombre de archivo, pero se cambia la terminación a xml para leer el archivo de metadatos:

file_ext = os.path.splitext(filename)[1]
newfile = filename.replace('.bil', '.xml')

Se guarda el archivo bil en la BD incluyendo sus metadatos:

fid = fs.put(file, filename=filename, content_ type='raster', metadata=metadatos)

De una forma más sencilla se almacena el archivo de encabezado hdr:

for filename in glob.glob('*.hdr'):
file = open(filename, 'rb') fid = fs.put(file, filename=filename)

Siguiendo el mismo método, también se pueden almacenar los archivos sta y contents

V.4 Infraestructura hardware de VISTA-C

Ésta se refleja en la figura 1 y la tabla 2.

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Actualmente, la base de datos MongoDB del sistema cuenta con 3 terabytes (TB) de almacenamiento raster (ver figura 2).

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V.5 Impactos de la plataforma VISTA-C

El cambio de perspectiva en el desarrollo de la base de datos espaciales permitió definir elementos clave para tener ventajas competitivas significativas con respecto a BD anteriores (ver tabla 3). La integración de la nueva tecnología incide en el plan estratégico de nuestra organización —el Laboratorio de Análisis Geoespacial (LAGE) del IGg de la UNAM—, de tal forma que la estrategia de adquisición de nuevos dispositivos generadores de datos raster (p. ej. sistemas de recepción de imágenes satelitales) ya considera este nuevo sistema.

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En la medida en que se están superando los paradigmas anteriores de elaboración de sistemas de información en nuestra organización, estamos enfocando los esfuerzos en los nuevos elementos tecnológicos. La parte esencial de este proceso consiste en identificar las áreas de mejora (velocidad, variedad, veracidad y volumen), y cada una de éstas va incidiendo en la forma de trabajar del personal del IGg. Otro de los logros con la implementación de la tecnología es su usabilidad en la construcción de nuevos sistemas de almacenamiento espacial (ver tabla 3), los cuales permiten generar un esquema con la participación de múltiples actores finales

VI. Conclusión

La transformación digital que se ha presentado en las últimas décadas dentro del área geoinformática ha dado paso a la integración de nuevas tecnologías y paradigmas de trabajo que si bien en un inicio representan un cambio técnico, también proporcionan hitos nuevos que derivan en la solución más óptima de problemas generados en la rápida transformación de nuestro planeta (Osorno Covarrubias et al., 2015). Los datos espaciales, esenciales para la planificación de políticas públicas a varias escalas significan un gran reto en su procesamiento, más aún si nuestra información representa un mayor porcentaje de datos raster (p. ej. imágenes satelitales) que de tipo vector. La tecnología Big Data coloca sobre la mesa nuevas soluciones a la gestión y el procesamiento de grandes volúmenes de datos, pero una gran característica no solo es ésa, además nos permite la integración de variedad y velocidad en la información. 

En nuestra investigación para el proyecto VISTA-C, proponemos una nueva forma de estructurar los datos, incrementando las posibilidades de aprovechamiento de la información. La nueva arquitectura basada en la tecnología MongoDBGridFS no solo representa una opción viable para la creación de nuevos sistemas de información, actualmente está implementada en la infraestructura de datos espaciales del IGg de la UNAM, por ejemplo, en la plataforma VISTA-C y, próximamente, en otras plataformas del LANOT. Hoy en día, probamos que el uso de GridFS con la BD MongoDB constituye una solución factible que incrementa las posibilidades en el desempeño de las bases de datos espaciales de gran tamaño.

Entre las ventajas comparativas de la opción presentada, solo dedicamos presupuesto a la adquisición de sistemas de almacenamiento de datos, en otras opciones probablemente se requiere la compra de licencias para el gestor de base de datos relacional o el publicador de información en la web. Esta propuesta representa una clara posibilidad de avance en el almacenamiento de información, no solo raster, sino que posibilita la unificación de nuevas fuentes de información espacial de gran tamaño.

Una pregunta crítica es: ¿en la práctica, la tecnología Big Data es una mejor opción que la ya establecida con las tecnologías relacionales? El desempeño del motor de búsqueda parece favorecer la tecnología Big Data, pero un objetivo a mediano plazo es crear una plataforma para la experimentación continua y para establecer mecanismos que midan los resultados. Las organizaciones deben entender que la transformación digital es un proceso continuo y que si se están actualizando sus centros de datos tienen que implementar soluciones tomando en cuenta los estándares internacionales que proporcionan integración e interoperabilidad. El enfoque de estándares abiertos en software y hardware reduce los costos. Quizás el único costo adicional es el intelectual, ya que requiere de nuevos conocimientos para el uso de esta tecnología.

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1 http://www.igg.unam.mx/sigg/investigacion/lage/carrusel/ca3/gomez/1.php

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Fuentes

Bessis N., y D. Ciprian. Big Data and Internet of Things: A Roadmap for Smart Enviroments. Volume 546. Suiza, Springer, 2014, pp 137-168.

Couturier, S., J. Osorno Covarrubias, V. Magaña Rueda, I. Martínez Zazueta y G. Vázquez Cruz. “Prototype of the Mexican spatial data infrastructure for climate raster models and satellite imagery (“VISTA-C”)”, en: IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. Vol. 54. Reino Unido, Institute of Physics (IOP) Publishing, 2017, pp. 1-6.

Dheeraj, B. y M. Sinha. “GridFS: Ensuring High-Speed Data Transfer Using Massively Parallel I/O”, Databases in Networked Information Systems. 4th International Workshop, DNIS 2005 Aizu-Wakamatsu, Japan, March 28- 30, 2005 Proceedings. Alemania, Springer, 2005, pp. 280-287.

Lacovella S., y B. Youngblood. Geoserver Beginner´s Guide. Reino Unido, Packt, 2013, pp 33-53.

López Vega, M. A., S. Couturier y K. Y. Barrera González. “Design scheme for a spatial database of climatic and environmental variables in Mexico, integrating Big Data Technology”, en: Procedia Computer Science. Vol. 55C. Países Bajos, Elsevier, 2015, pp. 503-513.

Mcinerney, D. y P. Kempeneers. Open Source Geospatial Tools. Part of the series Earth Systems Data and Models. Suiza, Springer 2015, pp 51-60.

Osorno Covarrubias, J., S. Couturier y M. Ricárdez. “El rol de la Geografía y sus hibridaciones recientes frente a la crisis de sustentabilidad global”, en: Boletín de la Asociación de Geógrafos Españoles (BAGE). Vol. 69 (10). España, Asociación de los Geógrafos Españoles, 2015, pp. 93-112.

Plugge, E., P. Membrey y T. Hawkins. The Definitive Guide to MongoDB The NoSQL Database for Cloud and Desktop Computing. EE.UU., Apress, 2010, pp 83-95.

Yeung A., y G. B. Hall. Spatial Database Systems Design, Implementation and Project Management. Países Bajos, Springer, 2007, pp. 22-24, 26-29 y 93-129.

Stephane Couturier

Autor

Originario de Francia y de nacionalidad mexicana, recibió el título de licenciado en Ingeniería en Aeronáutica y Espacio en 1996 por parte de la Escuela Nacional Superior de la Aeronáutica y del Espacio (SupAero) en Toulouse, Francia, y de maestro en Percepción Remota en 1997 por parte de la Universidad de Paris VI en Francia; en 2007 se tituló en dos doctorados, uno en Geografía por la UNAM y otro en Percepción Remota de la Biósfera por la Universidad de Toulouse III (Universidad Paul Sabatier), Francia. Actualmente, trabaja como investigador en el Laboratorio de Análisis Geoespacial del Instituto de Geografía en la UNAM, México.


Daniel Gonzalo Hernández Rivera

Autor

Nació en México. Es estudiante de la Licenciatura en Informática en la UNAM. En la actualidad, se desempeña como administrador de servidores y desarrollador de sistemas de información geográfica en el Instituto de Geografía de esa misma casa de estudios.


Marco Antonio López Vega

Autor

Nació en México. Es ingeniero en Comunicaciones y Electrónica por la UNAM, con Maestría en Sistemas de Información por la Fundación Arturo Rosenblueth. Cuenta con certificación en DBA por ORACLE, System Manager por Silicon Graphics y Microsoft Systems Engineer. Ha sido desarrollador por más de 15 años de SIG. Se desempeña como profesor de licenciatura, posgrado y diplomados en Geomática de la UNAM. Las líneas de investigación que principalmente apoya son SIG, infraestructura de datos espaciales, sistemas de bases de datos espaciales y geotecnología. Además, cuenta con publicaciones internacionales sobre Big Data y SIG.