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FACULTAD DE TELEMÁTICA PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE IMÁGENES SATELITALES UTILIZANDO LÓGICA DIFUSA PARA APOYAR EN EL ESTUDIO DE CASOS DE DENGUE TESIS que para obtener el grado de: MAESTRA EN COMPUTACIÓN Presenta: LI. JARIDE DEL ROCÍO TORRES ALONSO Asesor: D. en C. MIGUEL ÁNGEL GARCÍA RUIZ COLIMA, COLIMA. AGOSTO DEL 2011.

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FACULTAD DE TELEMÁTICA

PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE IMÁGENES SATELITALES UTILIZANDO LÓGICA DIFUSA PARA APOYAR EN EL ESTUDIO DE CASOS DE DENGUE

TESIS

que para obtener el grado de:

MAESTRA EN COMPUTACIÓN

Presenta: LI. JARIDE DEL ROCÍO TORRES ALONSO

Asesor: D. en C. MIGUEL ÁNGEL GARCÍA RUIZ

COLIMA, COLIMA. AGOSTO DEL 2011. 

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UNIVERSIDAD DE COLIMA

FACULTAD DE TELEMÁTICA

PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE IMÁGENES SATELITALES UTILIZANDO LÓGICA DIFUSA PARA APOYAR EN EL ESTUDIO DE CASOS DE DENGUE

TESIS

que para obtener el grado de:

MAESTRA EN COMPUTACIÓN

Presenta:

LI. JARIDE DEL ROCÍO TORRES ALONSO

Asesor:

D. en C. MIGUEL ÁNGEL GARCÍA RUIZ

COLIMA, COLIMA. AGOSTO DEL 2011. 

 

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AGRADECIMIENTOS

A mi asesor y profesor, DC. Miguel A. García Ruiz por su tiempo, paciencia y apoyo

para la culminación de este documento.

A mi madre por su gran amor, fuerza y optimismo en mis tiempos de desvelo.

A mi esposo por su solidaridad y motivación.

A mi compañera y amiga Gabriela por su apoyo incondicional.

Al Dr. Alfredo Medina González por toda su ayuda y la información proporcionada.

A la Asociación Colimense de Universitarias (ACU) y a la Universidad de Colima por

la beca otorgada para mi último semestre de estudio.

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ii 

Índice

Agradecimientos i

Índice ii

Índice de Figuras vi

Índice de Tablas viii

Resumen 1

Abstract 2

CAPITULO 1. Introducción 3

1.1. Justificación 4

1.2. Descripción del problema a investigar 4

1.2.1 Preguntas de investigación 8

1.3. Hipótesis de trabajo 9

1.4. Los objetivos que se persiguen 10

1.4.1. Objetivo general 10

1.4.2. Objetivos específicos 10

1.5. Metodología empleada 11

1.6. Descripción de la organización del trabajo 12

CAPITULO 2. Estado del arte 13

2.1. Marco histórico 13

2.1.1. Antecedentes del trabajo 14

2.2. Marco contextual 15

2.2.1. Trabajos relacionados 16

2.2.1.1. Modelo de simulación para el control del mosquito Aedes aegypti, transmisor del dengue y la fiebre

16

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iii 

amarilla, por el crustáceo Mesocyclops spp.

2.2.1.2. Freeze Frame Video Printer (FFVP) 19

2.2.1.3. Sistemas de clasificación de imágenes 20

2.2.1.4. Unidad de Inteligencia Epidemiológica 22

2.2.1.5. Uso de Sistemas de Información Geográfica (SIG) para la vigilancia de enfermedades vectoriales en áreas de fronteras

22

2.2.1.6. Estrategias de participación comunitaria con enfoque ecosistémico en el control del Dengue. Experiencia en Cuba.

25

2.3. Marco teórico 29

2.3.1. La Vaguedad (Fuzziness) 30

2.3.2. Algunas semánticas ambiguas 31

2.3.3. Lógica para computadoras 32

2.3.4. Lógica Difusa 32

2.3.5. Teoría de Lógica Difusa 33

2.3.6. Teoría de conjuntos difusos 34

2.3.6.1. Conjuntos ordinarios y difusos 34

2.3.6.2. Operaciones de los conjuntos difusos 38

2.3.6.3. Propiedades de los conjuntos difusos 40

2.3.6.4. Medidas de Vaguedad (Fuzziness) 41

2.3.6.5. Relaciones difusas 41

2.3.7. Modelos difusos 45

2.3.8. Análisis por grupos (Cluster Analysis) 47

2.3.9. Agrupamiento o clustering 50

2.3.9.1. Agrupamiento jerárquico (Hierarchical Clustering) 53

2.3.9.2. Algoritmos de vínculo único y enlace completo de la Teoría de Grafos

56

2.3.9.3. Algoritmo aglomerativo para un agrupamiento de vínculo único

58

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iv 

2.3.9.4. Algoritmo aglomerativo para un agrupamiento de enlace completo

58

2.3.10. Métodos de agrupamiento basados en la Teoría de Grafos

61

2.3.11. Agrupamiento particional 65

2.3.11.1. Algoritmo de agrupamiento del vecino más cercano 66

2.3.11.2. Algoritmo de agrupamiento de vecindario mutuo 66

2.3.12. Algoritmos de agrupamiento difuso 67

2.3.12.1. Fuzzy K-means 70

2.3.13. Sistema de Información Geográfica (SIG) 72

2.3.14. Imágenes 74

2.3.14.1. Descripción y Procesamiento de Imágenes Satelitales

76

2.3.15. La Teledetección 77

2.3.16. La enfermedad 81

CAPITULO 3. Desarrollo 87

3.1. Modelo de procesos de Software 87

3.1.1. Modelo deconstrucción de prototipos 87

3.2. Modelo conceptual 88

3.2.1. Interface del front-end 92

3.2.2. Entorno de comunicación 94

3.2.3. Interface back-end 95

3.2.4. Estructura de datos 96

3.3. Diseño del Sistema. 97

3.3.1 Arquitectura del sistema 98

3.3.2 Diseño de Interfaces 101

3.3.3. Diseño de la base de datos 106

3.3.4. Especificación Formal 107

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3.4. Implementación del Sistema 107

3.4.1. Programación de Módulos y componentes 108

3.4.2. Implementación de Interfaces 108

CAPITULO 4. Pruebas y resultados 114

4.1. Pruebas de integración 114

4.2. Pruebas de congruencia 115

4.3. Pruebas de usabilidad 117

4.4. Resultado de la prueba de usabilidad 118

4.5. Interpretación de los resultados 121

CAPITULO 5. Conclusiones y sugerencias 122

5.1. Discusión 122

5.2. Cumplimiento de la hipótesis 122

5.3. Cumplimiento de los objetivos 123

5.4. Importancia de los resultados obtenidos 124

5.5. Posibles aplicaciones 125

5.6. Limitaciones de la investigación 125

5.7. Recomendaciones para continuar con la investigación en lo futuro

126

Referencias 127

Apéndice A. Glosario 130

Apéndice B. Lista de Abreviaturas 133

Anexo 1 134

Anexo 2 140

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vi 

Índice de Figuras

Figura 1 Estructura del Controlador Difuso 20

Figura 2 Mapa de manzanas con foco de Aedes aegypti (Torres, 2008). 27

Figura 2a Mapa de manzanas con riesgo epidemiológico (Torres, 2008).

28

Figura 3 Grupos o Clusters de patrones de puntos en dos dimensiones (Jain & Dubes, 1988, p. 2).

48

Figura 4 Árbol con los tipos de clasificación del agrupamiento o clustering (Jain & Dubes, 1988, p. 56)

50

Figura 5 Ejemplo de dendrograma (Jain & Dubes, 1988, p. 59). 55

Figura 6 Matriz de proximidad n= 5 (Jain & Dubes, 1988, p. 60) 56

Figura 7 Relación Binaria y umbral gráfico de 5 (Jain & Dubes, 1988, p. 61).

57

Figura 8 Umbral gráfico y dendrogramas para agrupamiento jerárquico de vínculo único y enlace completo (Jain & Dubes, 1988, p. 62).

60

Figura 9 Matriz de proximidad con 8 objetos (Jain & Dubes, 1988, p. 87)

63

Figura 10 Matriz de proximidad, vínculo único, enlace completo y 2 nodos conectados (Jain & Dubes, 1988, p. 88)

64

Figura 10a Grados, diámetros y radios (Jain & Dubes, 1988, p. 89) 64

Figura 11 Grupos o clusters con límites (a) bien definidos y (b) sin definir (Jain & Dubes, 1988, p. 130).

68

Figura 12 Estados con mayor incidencia de Fiebre Hemorrágica por Dengue

85

Figura 13 Casos de FHD por fuente de notificación, 2000-2006 86

Figura 14 Cargar la imagen a procesar 89

Figura 15 Tamaño de la imagen satelital 89

Figura 16 Patrones de color 89

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vii 

Figura 17 Segmentar imagen 90

Figura 18 Guardar resultado de la segmentación 91

Figura 19 Modelo conceptual 91

Figura 20 Diagrama de navegación de ventanas del SIDAIS 94

Figura 21 Diagrama de casos de uso 99

Figura 22 Diagrama de actividades 100

Figura 23 Diseño menú principal 102

Figura 24 Diseño capturar imagen 103

Figura 25 Diseño introducir clima, resguardo y salir 104

Figura 26 Diseño A cerca de 105

Figura 27 Vista diseño y relaciones de la base de datos 106

Figura 28 Código del módulo resguardo 108

Figura 29 Ventana capturar imagen 109

Figura 30 Ventana introducir clima 110

Figura 31 Ventana análisis 111

Figura 32 Ventana resguardo 112

Figura 33 Ventana A cerca de 113

Figura 34 Bahía de Manzanillo, Colima. Formato TIF (Google Earth, 2010)

115

Figura 35 Bahía de Manzanillo, Colima. Formato JPG. Segmentación por patrones de color. (Google Earth, 2010)

116

Figura 36 Bahía de Manzanillo, Colima. Formato JPG. (Google Earth, 2010)

116

Figura 37 Bahía de Manzanillo, Colima. Formato JPG. Resultado de la aplicación del algoritmo. (Google Earth, 2010)

117

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viii 

Índice de Tablas

Tabla 1 Porcentaje de serotipos circulantes en México 82

Tabla 2 Serotipos circulantes en México 1997-2006 83

Tabla 3 Tiempo de procesamiento de una imagen por el algoritmo difuso SIDAIS

120

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Resumen

Proyectos anteriores de investigación han estudiado las enfermedades epidemiológicas como el

dengue. Estos proyectos obtienen información acerca de los parámetros comunes entre las personas

infectadas con el propósito de prevenir cualquier tipo de enfermedad epidémica en el futuro. Los

Sistemas de Información Geográfica (SIG) pueden ser aplicados para la vigilancia de la salud,

identificando áreas con un mayor riesgo para contraer enfermedades epidémicas, con el objetivo de

anticiparse a las enfermedades y controlarlas.

Esta tesis propone un sistema de información similar a un SIG, el cual realiza procesamiento y

clasificación de imágenes satelitales basado en reglas y funciones de Lógica Difusa. El sistema

analiza imágenes satelitales para localizar las zonas del estado de Colima, que pueden indicar una

mayor presencia de la reproducción del mosquito Aedes aegypti responsable de la propagación del

dengue hemorrágico.

La contribución de este trabajo ofrece un nuevo enfoque para el procesamiento de imágenes

con el desarrollo de un algoritmo de Lógica Difusa que mide los parámetros del ambiente ayudando en

el estudio de casos y apoyando a la toma de decisiones o estrategias para la prevención, detección y

control del dengue hemorrágico en el Estado de Colima, México.

Palabras Clave: Dengue hemorrágico, Lógica Difusa, Imágenes satelitales.

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Abstract Past research projects have studied epidemiological diseases like dengue. These projects get

information about common parameters between infected persons with the propose to prevent any kind

of epidemic disease in the future. Geographical Information Systems (GIS) can be applied for health

monitoring, identifying areas with a major risk to get epidemic diseases, with the objective of anticipate

to the diseases and control it.

This thesis proposes an information system similar to a GIS, which uses satellite image

processing and classification based on Fuzzy Logic rules and functions. The system analyzes satellite

images to locate areas from Colima state where these may indicate a major presence of Aedes aegypti

reproduction as the responsible for spreading hemorrhagic dengue.

The contribution of this work offers a new approach for the image processing with the

development of a fuzzy logic algorithm that measures environment parameters helping in the study of

cases and supporting decision making or strategies for the prevention, detection and control of

hemorrhagic dengue in the state of Colima, Mexico.

Keywords: Hemorrhagic Dengue, Fuzzy Logic, Satellite Image.

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CAPÍTULO 1. Introducción

Durante los últimos años, se ha incrementado la aparición de casos de dengue tanto

clásico como hemorrágico, en el Estado de Colima. El dengue es una enfermedad

febril exantemática que se transmite a través de la picadura del mosquito Aedes

aegypti infectado. Cada vez se vuelve un problema más grave ya que el dengue

hemorrágico puede ocasionar la muerte. Las campañas publicitarias en radio,

televisión, prensa y otros medios que el sector salud dirige a la población en riesgo

cumplen con la labor de informar acerca de las medidas preventivas y en caso de

contagio, que se deben tomar. El principal medio de reproducción del mosquito, en

zonas pobladas, son los criaderos en contenedores artificiales como latas, botes o

llantas. Pero existen zonas desiertas donde el terreno y el clima son naturalmente

propicios para su reproducción y donde ciertas medidas de prevención no son

llevadas a cabo.

La toma de imágenes satelitales del estado de Colima nos permite tener una

cobertura total del área considerada en estudio y su análisis ayudará a detectar las

zonas que por sus variables pueden ser clasificadas como foco rojo en la

reproducción del mosquito causante del dengue hemorrágico.

Este documento presenta algunas aplicaciones basadas en Lógica Difusa para

el procesamiento de imágenes y reconocimiento de patrones. El desarrollo y

aplicación de algoritmos difusos para el procesamiento y reconocimiento de

imágenes son importantes ya que las reglas y los conjuntos difusos en los que se

basan son efectivos en sistemas cognitivos parecidos al humano y ayudan a manejar

el ruido e información difusa o vaga que encontramos en nuestra vida diaria.

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1.1. Justificación

Es importante poder contribuir a la erradicación de problemas como la enfermedad

del dengue hemorrágico, el cual se ha incrementado desde el año 2000 a 2006

cuando se reportaron en México 15, 866 casos de dengue correspondientes al

Estado de Colima 4,495 (5%). Para el año 2006 se confirmaron 27,287 de los cuales

4,477 pertenecían nuevamente al Estado de Colima, siendo considerado dentro de

los estados con mayor tasa promedio de casos dengue hemorrágico (CONAVE y

SSA, 2007). Según indicadores proporcionados por instituciones de salud en el

estado, la atención de casos incluye defunciones a causa de esta enfermedad,

recordando que se presenta en todo el mundo.

Sumado a todos los esfuerzos del sector salud y de las indicaciones a la

población por parte del mismo, este trabajo presenta sólo una propuesta con un

nuevo enfoque que ayude a detectar de forma previa el lugar de reproducción del

mosquito cuando las variables del ambiente sean factibles para llevarse a cabo dicha

reproducción. Es imprescindible hacer algo, ya que el causante es un enemigo casi

silencioso, por poco invisible y no distingue edad, raza o género.

1.2. Descripción del problema a investigar

Actualmente el control del dengue hemorrágico se lleva a cabo con el método de

Nebulización o aplicación de insecticida en el aire, así como el siguiente

procedimiento a continuación descrito tomado de (CONAVE y SSA, 2007):

1. Detectar y estimar por vivienda aleatoria la densidad de larvas, en zonas de riesgo

que bajo criterios de selección permita obtener una muestra representativa. La

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muestra permite verificar nuevos especímenes y su densidad, aplicación de

encuestas a la población y requisición de formatos con el fin de conocer la cantidad y

tipo de recipientes que contienen agua, larvas o pupas. Posteriormente se generan

fórmulas como: Índice Casas Positivas, ICP= Casas con criaderos positivos x 100 /

casas exploradas ó Índice de Recipientes Positivos, IRP=Recipientes positivos x 100

/ Recipientes con agua explorados; con el fin de generar indicadores que

comparándolos con criterios establecidos por la Norma Oficial Mexicana para la

vigilancia epidemiológica, prevención y control de las enfermedades transmitidas por

vector, permitan evaluar el grado de riesgo de transmisión de la enfermedad del

Dengue. Es necesario clasificar los recipientes positivos existentes entre abatizables

(Floreros, baños y tinas; llantas, pilas, pozos y tinacos descubiertos), controlables

(Botes y cubetas, macetas) y eliminables (menos de 5 L de capacidad); conocer el

tipo de recipiente que presenta mayor productividad o probabilidad de ser colonizado

permitirá plantear alternativas de tratamiento, eliminación, control o aplicación de

algún larvicida (CONAVE y SSA, 2007).

Este método de muestreo no es aplicable en poblaciones que rebasen las 300

mil viviendas, la muestra se restringe a zonas con mayor riesgo, especificando

medidas a seguir y aplicable en la fase larvaria o pupa del mosquito (CONAVE y

SSA, 2007).

2. En la fase adulta del mosquito Aedes aegypti, se crean ovitrampas con un

recipiente de plástico pintado o forrado de color negro lleno con 1/3 de agua potable

y abatelenguas fijos en el interior, asimismo colocándose en el interior o exterior de la

vivienda al ras del suelo para crear competencia con otros posibles criaderos (llantas

o botes), el lugar debe ser sombreado u oscuro. Anotando datos de la vivienda y

número de la ovitrampa, se revisará cada 5 o 6 días cambiando el agua y llevando a

analizar cada abatelenguas con el fin de identificar y cuantificar huevecillos de Aedes

aegypti. Los datos obtenidos serán el porcentaje de viviendas positivas al huevecillo,

su promedio y positividad en interiores o exteriores de la vivienda. Este

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procedimiento requiere tiempo para obtener la muestra y es probable perderla al

secarse o derramarse el agua (CONAVE y SSA, 2007).

3. Otra forma consiste en capturar el mosquito utilizando carnada humana, esto es,

exponer las extremidades de una persona a la picadura en horarios de mayor

actividad (amanecer o anochecer). Utilizando una lámpara y colocando los

especímenes en vasos de cartón encerado y tapa de tul. Con este método lo

principal es que la persona corre riesgo de infectarse, aunque se realiza en periodos

que no exista transmisión y sólo para investigación (CONAVE y SSA, 2007).

4. Desarrollar actividades de control larvario dirigidas a eliminar o controlar cualquier

depósito donde se puedan desarrollar larvas de cualquier tipo de mosquito pero

primordialmente Aedes aegypti. El control físico consiste en lavar, tallar, voltear,

destruir, cubrir, proteger bajo techo o evitar el almacenamiento de agua en todos los

recipientes que sean capaces de criar larvas. El control químico consiste en aplicar

en exteriores (pilas, tinacos y cisternas sin tapa, entre otros) e interiores (floreros); el

larvicida Temephos al 1% por 10 L agua, su presentación es en granos de arena y un

periodo de efectividad entre 60 y 90 días. Su aplicación se emplea de forma

preventiva y se regirá por el tiempo de duración del producto. Este procedimiento se

lleva a cabo sólo por personal de salud autorizado. El control biológico aplicado en

algunos lugares del país, consiste en sembrar peces en los contenedores de agua

para terminar con las larvas, basado en un modelo depredador-presa (CONAVE y

SSA, 2007).

5. Finalmente la promoción permite dar continuidad por parte de morador a las

actividades de control larvario. El responsable de control debe presentarse

uniformado y portando su credencial, debe dar un mensaje haciendo énfasis en la

importancia de su actividad y sin su apoyo no se podrá prevenir o controlar la

enfermedad. Este punto, ha dado pie a que personal no autorizado visite las

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viviendas con otros fines ajenos al control, además crea cierta desconfianza entre la

población al abrir las puertas de su casa a un desconocido (CONAVE y SSA, 2007).

Nebulización

La nebulización o rociado espacial consiste en aplicar gotitas pequeñas de

insecticida en el aire, dentro o fuera de un lugar cerrado, con el propósito de que

puedan entrar en contacto y matar a los mosquitos adultos presentes en el ambiente.

Este procedimiento especialmente para mosquitos adultos, además debe medir el

tamaño de las gotas del insecticida ya que si son demasiado pequeñas se alejarán a

la deriva del área y si son muy grandes caerán con rapidez sin eficacia. El equipo de

aplicación debe estar entonces en buenas condiciones. También se hacen aerosoles

fríos utilizando máquinas pesadas y portátiles, a bordo de vehículos automotores,

lanchas y aviones especialmente diseñados para tal efecto. Las máquinas pueden

cubrir de 1,500 a 2,000 casas en promedio, por jornada de trabajo. Es prioridad

contar con mapa de las localidades. Si la velocidad del vehículo es mayor a 10 km/hr

o la temperatura mayor a 28°C no debe realizarse este proceso (CONAVE y SSA,

2007).

En general, como problema prioritario de salud se han realizado acciones,

haciendo énfasis en las actividades de prevención y control del factor humano, tales

como: mantener patios limpios y cuidar el agua almacenada, así como la aplicación

de larvicidas en pilas por promotores de salud. El dengue es una enfermedad que

incapacita y ocasiona pérdidas humanas, con importantes impactos sociales y

económicos es un problema que va en aumento en México y la región (CONAGO,

2007).

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1.2.1. Preguntas de Investigación ¿Es posible desarrollar de manera eficaz un programa en lenguaje Python que

permita analizar con Lógica Difusa una imagen de satélite?

¿Es factible aplicar la Lógica Difusa para obtener un eficiente análisis de imágenes

satelitales?

¿Es recomendable segmentar por medio de patrones de falso color, la vegetación y

cuerpos de agua, encontrados en imágenes satelitales para considerar la

probabilidad de que ahí se desarrolle el mosquito causante del dengue?

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1.3. Hipótesis de trabajo

La aplicación de un algoritmo con Lógica Difusa y falso color para el

procesamiento de imágenes satelitales, apoyará favorablemente la detección de

zonas donde el mosquito Aedes aegypti causante del dengue hemorrágico se

desarrolla.

La variable dependiente:

Obtención de información adecuada, oportuna y pertinente que conduzca a la

identificación de zonas del estado de Colima consideradas probables zonas de

riesgo para la reproducción del mosquito Aedes aegypti causante del dengue

hemorrágico.

La variable independiente:

Programa de procesamiento digital de imágenes satelitales con análisis de

Lógica Difusa para la detección de vectores del Dengue.

Variables intervinientes:

Mala calidad de las imágenes de satélite, ruido aleatorio en las imágenes, equipo

de cómputo deficiente o lento para el procesamiento de imágenes.

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10 

 

1.4. Los objetivos que se persiguen

1.4.1. Objetivo general

Facilitar la ubicación de zonas probables fuentes de reproducción del mosquito

Aedes aegypti causante del dengue hemorrágico por medio de un sistema similar a

un SIG (Sistema de Información Geográfica).

1.4.2. Objetivos específicos

• Adaptar un sistema similar a un Sistema de Información Geográfica con el

propósito de procesar imágenes de zonas específicas del estado de Colima

consideradas probables fuentes de reproducción del mosquito causante del

dengue hemorrágico.

• Adaptar y aplicar un algoritmo difuso para realizar la clasificación de una

imagen a través del módulo segmentar imagen. El algoritmo recorrerá la

imagen con el fin de identificar cuerpos de agua (lagos, lagunas, esteros, ríos

y arroyos) y vegetación presentes en el área, resaltando por color amarillo y

morado, respectivamente. Así como de color rojo, con la presencia de ambos.

Se utilizará el sistema Google Earth para obtener la imagen satelital.

• Llevar a cabo un análisis comparativo entre las variables del clima y los

elementos predominantes (agua y vegetación) en la zona considerada de

riesgo para la reproducción del mosquito Aedes aegypti.

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11 

 

• Calcular en qué porcentaje las variables están presentes en la imagen

procesada.

• Mejorar la toma de decisiones o estrategias de prevención, detección y control

de las zonas en riesgo.

1.5. Metodología empleada

En esta sección se utilizó una metodología exploratoria, basada en la

elaboración incremental de prototipos de software (Mcconnel, 1998) y se llevaron a

cabo pruebas de testeo de ingeniería de software (Ammann y Offutt, 2008) y de

usabilidad (Nielsen, 1993).

• Consultar bibliografía acerca de métodos difusos y Sistemas de Información

Geográfica.

• Investigar y aprender la programación en el lenguaje Python.

• Desarrollar un método similar a un Sistema de Información Geográfica.

• Diseñar las pantallas y botones que permitirán un uso más fácil y amigable del

sistema.

• Utilizar y adaptar un algoritmo para segmentar imágenes, basado en técnicas

de Lógica Difusa, en lenguaje Python.

• Llevar a cabo la prueba del sistema para corroborar que reconoce las

variables establecidas y realiza el correcto reconocimiento de patrones de

falso color.

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12 

 

• Documentar el funcionamiento del sistema así como los resultados

proporcionados.

• Presentar una propuesta del sistema que ayudará a analizar imágenes

satelitales, plasmándola en una tesis.

1.6. Descripción de la organización del trabajo

En la primera sección de este trabajo se hace una introducción a la problemática del

dengue hemorrágico, haciendo énfasis en que se trata de un problema mundial y en

las medidas de prevención y control que se han tomado. La segunda parte hace

referencia al estado del arte presentando lo que algunos autores han escrito sobre el

tema, así como aportaciones personales y se describen modelos matemáticos así

como Sistemas de Información Geográfica, que se han desarrollado con el fin de

intentar erradicar esta enfermedad. La tercera sección habla del diseño técnico del

proyecto propuesto con el uso de un algoritmo que ejemplifique mejor la manera

cómo se llevará a cabo el procesamiento de las imágenes satelitales. Finalmente la

cuarta sección concluye con este trabajo haciendo propuestas de mejora, así

también se describen a groso modo las limitaciones de esta investigación y se hacen

recomendaciones para continuar en lo futuro con esta misma.

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13 

 

CAPÍTULO 2. Estado del arte

Este punto presenta lo que algunos autores han escrito sobre el tema y que dan

soporte a esta investigación.

2.1. Marco histórico

Desde que la Lógica Difusa fue creada en 1965 se propuso la idea de que en el

campo de la ingeniería podía existir la vaguedad, el Profesor Lofti Zadeh su creador

introdujo entonces conceptos tales como: medición e integral difusa. En el año de

1974 se aplicó por primera vez en el diseño de controles. A principios de los 90’s su

aplicación se extendió a la industria tanto en el desarrollo de procesos de purificación

de agua como en el desarrollo de un sistema de control automático para trenes, así

como de productos electrónicos para el hogar. Siendo Japón el pionero en su

aplicación de manera especial y exitosa en el campo de control considerado parte del

razonamiento difuso, se formó una Asociación Internacional de Sistemas Difusos

como la primera organización académica para teóricos y practicantes de la Lógica

Difusa (Tanaka, 1997). A continuación se describen trabajos que utilizan la Lógica

Difusa así como investigaciones que se centran en el control de epidemias causadas

por plagas de insectos como el mosquito Aedes aegypti.

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14 

 

2.1.1. Antecedentes del trabajo

Existe una variedad de sistemas que nos permiten el manejo de información útil para

la investigación científica, incluso se puede obtener de forma gratuita, como son:

mapas geográficos, variables del clima, temperatura, imágenes satelitales o censos

demográficos.

Los Sistemas de Información Geográfica, procesan imágenes satelitales y

ayudan en la identificación de zonas con mayor incidencia de casos de

enfermedades consideradas como problemas mundiales de salud; esto es,

agregando una marca en la ubicación exacta donde ocurre cada caso; la vigilancia y

control por parte del sector salud se ve reforzada con este tipo de sistemas, aunque

la posibilidad de detectar y actuar sobre la amenaza antes de que se extienda, es

nula.

Otros sistemas enfocados a la vigilancia epidemiológica, permiten obtener

estadísticas de síntomas comunes a algún tipo de enfermedad, permiten la captura y

manejo de información personal y de salud, por caso que acude por atención a las

clínicas de salud. La graficación de estos datos muestra el nivel de afectación del

estado o país por cada 100 000 habitantes. Las campañas de concientización a la

población sobre las medidas que deben tomar dentro y fuera de sus hogares, la

mayoría de las veces no se llevan a cabo o la enfermedad se introduce por personas

de otro lugar. Nuevamente la posibilidad de detectar con premura, es nula.

La propuesta de este trabajo se centra en detectar dónde existe una mayor

probabilidad de reproducción del mosquito Aedes aegypti causante del dengue

hemorrágico antes de que pueda infectar a cualquier persona, evitando el contagio y

a su vez la propagación de la enfermedad. Localizar el hacinamiento del mosquito en

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zonas donde su desplazamiento a los hogares sea mínimo y certero, de esta forma

analizar qué medidas emplear o mejorar principalmente antes de que sea un

problema de salud.

2.2. Marco contextual

Este proyecto comprende el estudio delimitado al Estado de Colima, localizado

geográficamente al norte 19°31', al sur 18°41'; de latitud norte; al este 103°29', al

oeste 104°41' de longitud oeste. Colinda al norte con Jalisco; al este con Jalisco y

Michoacán de Ocampo; al sur con Michoacán de Ocampo y el Océano Pacífico; al

oeste con el Océano Pacífico y Jalisco. Cuenta con una extensión territorial de 5 625

kilómetros cuadrados (Km2), predominando un clima caluroso (cálido), en las zonas

bajas del valle del municipio de Tecomán con algo de humedad (subhúmedo). De la

llanura costera hacia la sierra, el clima es más seco (semiseco), pero es caluroso.

Conforme se sube a las faldas del Volcán de Colima, la temperatura empieza a

disminuir (clima semicálido). Los climas templados y semifríos se encuentran en las

partes altas del Volcán (INEGI, 2008). El Sistema Nacional de Vigilancia de dengue se ve reforzado por otros

sistemas tanto para geo-referenciar casos como para monitorear actividades de

vigilancia y control, delimitación de cercos sanitarios, sistemas de visualización y

alerta temprana, asimismo de cálculo de población en riesgo (CONAGO, 2007).

El día miércoles 30 de abril de 2008 se efectuó una capacitación a nivel

nacional, para epidemiólogos y capturistas del sector salud sobre el manejo de un

nuevo sistema para la captura en plataforma web de todos los casos de fiebre por

dengue y fiebre por dengue hemorrágico. El sistema toma datos personales, de

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sintomatología y laboratorio del paciente, entre otros. Una vez que se ingresa el caso

en la plataforma, el sistema puede geo-referenciarlo por el domicilio y establecer su

marca de posición. Esto permite localizar las manzanas o sectores de la población

donde se den más ocurrencias de la enfermedad, mismas que facilitarán la toma de

decisiones respecto a la vigilancia y control.

2.2.1. Trabajos relacionados

A continuación se describen 5 trabajos que sea por el método o técnica que utilicen,

se encuentran relacionados (como el título lo indica) con esta propuesta de

investigación.

2.2.1.1. Modelo de simulación para el control del mosquito Aedes

aegypti, transmisor del dengue y la fiebre amarilla, por el crustáceo Mesocyclops spp.

La erradicación del vector A. aegypti se ha realizado mundialmente,

desafortunadamente después de un tiempo resurge, como es el caso de algunos

países de América del Sur, motivo por el cual se han implementado otros métodos de

control. Uno de los métodos consiste en la utilización de copépodos de la especie A.

albopictus con M. longisetus en laboratorio, para comprobar su efectividad sobre el

control de mosquitos. Los copépodos son una clase de crustáceos, microscópicos y

que abundan en agua dulce como salada. Encontrados como depredadores de

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larvas de mosquitos se plantea como posible método de control (Duque, Muñoz y

Navarro-Silva, 2004).

El objetivo de este modelo es presentar la manera en que se lleva a cabo la

depredación de larvas Aedes aegypti por el Mesocyclops spp. Compuesto por

variables y parámetros descritos en 6 ecuaciones diferenciales, H'(t), cantidad de

huevos; L'(t), cantidad de larvas; A'(t), cantidad de adultos de Aedes aegypti que

varía en el tiempo y C'(t), cantidad de copépodos (Duque, Muñoz y Navarro-Silva,

2004).

Los parámetros son, entre otros, tasa de transformación de huevos a larvas

del mosquito Aedes y tasa de mortalidad natural, tasa de transformación de las

larvas a adulto y de depredación por Mesocyclops, asimismo tasa de mortalidad

natural de la población de adultos del mosquito Aedes aegypti y tasa de mortalidad

natural de Mesocyclops (Duque, Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

La simulación del modelo se realizó con el programa Matlab 5.3 utilizando

valores hipotéticos y se modificaron buscando mayor aproximación a datos naturales,

ya que los resultados de estos trabajos varían de acuerdo a las condiciones de

campo y laboratorio. Se ilustran a continuación las ecuaciones diferenciales (Duque,

Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

La ecuación (1) representa la dinámica vital de los huevos del mosquito la

cual depende de la oviposición de los adultos, tasa de inviabilidad y el paso al

estado L (t) (Duque, Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

(1)

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En la ecuación (2) se resumen los estados larvarios del mosquito en una sola

variable L (t). Se observa en esta ecuación la función que representa el control del

predador aC(t)L(T), en la cual las presas son liquidadas de forma linear (Duque,

Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

(2)

Luego se cambia aC(t)L(T) por la función , finalmente se obtiene la

ecuación (3), donde se incluyen los parámetros como K y m que regulan la densidad

de la presa asumiendo que los copépodos pueden tener un límite de captura,

diferente de la forma planteada en la ecuación e.2 (Duque, Muñoz y Navarro-Silva,

2004).

(3)

La ecuación (4) muestra la dinámica de los mosquitos adultos cuyo incremento

es regulado por el paso de L(t) a A(t) menos la mortalidad natural de los adultos

(Duque, Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

(4)

La ecuación (5) representa el depredador y de esta ecuación se sustituye

eC(t)L(T) (Duque, Muñoz y Navarro-Silva, 2004):

(5)

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De esta manera los copépodos, además de ser dependientes de L(t), también

tienen una disminución en el ataque, lo cual se ajusta más a la realidad ecuación (6)

(Duque, Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

(6)

Ambas especies siendo larvas necesitan de la misma materia orgánica para

su desarrollo teniendo que coexistir. Por lo anterior se agregó al modelo la función

donde los copépodos estén regulados, por factores propios de la especie

interpretados por el parámetro m=Constante media de saturación. El modelo es

sencillo ya que no incluye parámetros de clima o físicos, está basado en un sistema

clásico presa-depredador, el depredador sólo tiene un tipo de presa y no hay

competencia por el alimento. Posiblemente se obtendrán datos poco reales y los

resultados no se ajusten a la biología de estas especies pero abren una hipótesis

respecto a la importancia del control biológico por copépodos y su eficiencia o hasta

qué punto lo son (Duque, Muñoz y Navarro-Silva, 2004).

2.2.1.2. Freeze Frame Video Printer

Asgharzadeh (1996) por primera vez hace mención a un sistema experto basado en

reglas difusas para el análisis y realce de imágenes digitales. El Freeze Frame Video

Printer (FFVP), dispositivo que transfería una imagen de video (digital/análoga) en

algún tipo de medio de salida, donde un usuario podía ver la imagen en el monitor

del FFVP y basándose en su experiencia y gusto, ajustaba las opciones de control

del FFVP y obtenía una mejor toma. El sistema propuesto un Controlador Difuso

(Fuzzy Controller) compuesto por una unidad analizadora y una unidad de realce

embebido (añadido) al FFVP, permitió automatizar el proceso de ajuste realizado por

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el usuario. Utilizando las reglas difusas la imagen era analizada y sus características

como color, brillo, contraste y/o balance, automáticamente ajustadas con el fin de

optimizar la calidad de la toma, a la primera. El esquema descrito anteriormente se

muestra en la Figura 1.

La investigación demostró que el desarrollo de un sistema basado en reglas

difusas era capaz de ajustar las características de video de una imagen fija para

obtener una calidad de impresión alta. El proceso no requirió técnicas de

procesamiento de imágenes costosas y podía implementarse en tiempo real. La

Lógica Difusa proporcionó un método rápido y simple para obtener, analizar y

corregir atributos requeridos en sistemas de impresión de video (Asgharzadeh,

1996).

Figura 1 Estructura del Controlador Difuso (Asgharzadeh, 1996, p. 3).

2.2.1.3. Sistema de Clasificación de imágenes

Gutiérrez y Jegat (2005) mencionan que investigaciones realizadas sobre los

sistemas de clasificación de imágenes satelitales muestran un análisis respecto al

modelaje de la incertidumbre o ambigüedad de la información relacionada con la

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imprecisión, errores y calidad de la misma, en un sistema de Información Geográfica

(SIG) trabajando junto con Sensores Remotos (SR); planteando que a medida que la

información es procesada pasa por una serie de transformaciones. De la

combinación o unión de los SIG y SR se generan diversos modelos de áreas

geográficas como: Modelo de campo (C), Imagen (I), Temático (T) se refiere a la

clasificación de la imagen ya sea supervisada o no; y Objeto (O) es decir, el mapa

final (puntos, líneas y polígonos); así como los diferentes procesos de transformación

a partir de imágenes satelitales.

Con la utilización de Lógica Difusa es posible dar un paso adelante en la

descripción de la realidad de la superficie terrestre. Si existen usos y coberturas

mezclados o zonas de transición, mediante esta técnica podemos instruir

adicionalmente al sistema de clasificación con esas características complementarias,

esto es, le informamos sobre los porcentajes de mezcla o transición, según sea

nuestro conocimiento (Gutiérrez y Jegat, 2005).

Existen muchas aplicaciones para procesar imágenes, que haciendo un pre-

procesamiento seleccionan y resaltan un patrón de clasificación base. Ejemplos

comunes son el reconocimiento de facciones donde se asigna una imagen a cada

persona o diagnóstico médico de pacientes imaginarios. En cualquiera de los casos

el rechazo o una incorrecta clasificación generan costos extra. Por ejemplo,

diagnosticar sana a una persona con una enfermedad mortal puede ser penalizado

que si se diagnostica sana a una persona que probablemente no lo está. Algoritmos

propuestos de patrones de clasificación basados en reglas de decisión difusas, IF-

THEN fuzzy rules, permiten incorporar patrones de entrenamiento “pesados” donde

los atributos de la imagen son divididos en conjuntos difusos, mismos que generan

mapas de uso y cobertura del área. Los algoritmos de clasificación se aplican a

diversos procesos de imágenes para el diagnóstico de cáncer de pulmón y la

clasificación de imágenes satelitales. El concepto de “peso” (weight) se refiere al

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costo que genera el rechazo o una mala clasificación de un patrón de entrada dado

al sistema. Las reglas son generadas considerando los “pesos” y la compatibilidad de

los patrones de entrenamiento (Nakashima, Schaefer, Yokota & Ishibuchi, 2007).

2.2.1.4. Unidad de Inteligencia Epidemiológica

El Centro de Innovación Tecnológica en conjunto con la Facultad de Medicina y con

el apoyo financiero de CONACyT así como del Gobierno del Estado, desarrollará una

denominada Unidad de Inteligencia Epidemiológica que tendrá como objetivo

“analizar información relacionada con la epidemiología; esto es, dónde ocurren los

casos de enfermedades y su progreso en el tiempo, de tal forma que dicha

información sirva no nada más para graficar y tener estadísticas, sino para anticipar y

proyectar el tamaño de las epidemias y coberturas de información y encontrar

patrones entre las personas que se enferman” (Universidad de Colima, 2007).

2.2.1.5. Uso de Sistemas de Información Geográfica (SIG) para la vigilancia de enfermedades vectoriales en áreas de fronteras

A causa del dengue, América se ha visto afectada por el incremento en el número de

casos notificados, siendo 255 casos fatales. En 1997, Argentina presenta casos de

serotipos 1, 2 y 3 de los 4 existentes. La existencia de mosquitos, la ocurrencia de

casos en países limítrofes y el intenso tránsito de personas a lo largo de las

fronteras, pone en alto riesgo al país debido a la re-introducción de la enfermedad. El

Plan Continental de la Organización Panamericana de la Salud propone identificar

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las áreas con mayor riesgo de contagio evitando pandemias y muertes por dengue,

esto es, concentrar esfuerzos para así reducir y controlar el vector (Botinelli, Ulon,

Marder y Cabral, 2006).

Los SIG se utilizan principalmente para analizar la asociación entre

medioambiente y enfermedad, ayudan a localizar eventos de salud en espacio y

tiempo, así como su monitoreo, comportamiento de factores de riesgo en un período

de tiempo, identificación de áreas geográficas y grupos de población con grandes

necesidades de salud. Un SIG es un conjunto integrado de programas de

computadora, capaz de geo-referenciar datos ligados al territorio, almacenar,

analizarlos y presentar los resultados en forma de listados, mapas y gráficos.

Realizado en ArcView 3.5 (Botinelli et als., 2006).

El proyecto tendrá como objetivo acceder al SIG, determinar y evaluar áreas y

poblaciones en riesgo, es decir, se visitan áreas de frontera, se censan, encuestan y

entrevistan para la obtención de datos que serán analizados por el SIG. Siendo no

prioritario por la falta de concientización de su relevancia, por la falta de información

y por el acceso a nuevas tecnologías, presenta problemas ya que las autoridades

encargadas de proporcionar información no siempre responden a favor, lo que

genera escasez de datos epidemiológicos, datos clínicos y de laboratorio (Botinelli et

als., 2006).

Tanaka (1997) nos dice que el razonamiento difuso se lleva a cabo a través de

reglas de inferencia expresadas como reglas difusas IF-THEN, donde la sentencia

seguida del IF es llamada premisa y el término después del THEN es llamado la

consecuencia. El diseño de controladores de Lógica Difusa involucra la construcción

de reglas de control y el procedimiento se basa en los siguientes pasos:

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1. Construcción de las reglas de control

2. Afinando parámetros (para determinar los conjuntos difusos) y,

3. Validación y revisión de las reglas de control

La construcción de las reglas inicia determinando qué variables seleccionar

como entrada ya que las variables de salida están implícitamente determinadas por

el objetivo. El afinamiento de parámetros afecta la forma de los conjuntos difusos.

Para el control de Lógica Difusa, conjuntos difusos de forma triangular y exponencial

son frecuentemente utilizados. La revisión consiste en agregar o borrar reglas que

afecten realizar el control (Tanaka, 1997).

Por otra parte, se han aplicado con éxito en el área de epidemiología los

sistemas de información geográfica; los mapas utilizados han sido reconocidos como

una fuente de poder e inspiración para la aventura. Sólo cuando uno sabe dónde

está física y metafóricamente, puede planear a dónde ir. Históricamente, los

elaboradores de mapas hicieron posible la fundación de imperios. Desde el

Mapamundi a los atlas electrónicos de hoy en día, la cartografía se ha enfocado en

patrones geográficos; en este punto, se considera que sólo los sensores de datos de

satélites pueden dar a los biólogos información apropiada y actualizada (en tiempo)

de los ambientes naturales, así como de los animales y plantas viviendo junto a

ellos. Se ha dado a conocer un importante proyecto enfocado a un subgrupo de esta

biodiversidad vector-borne enfermedades de animales en los cuales parte del ciclo

de vida de los parásitos lo pasan junto a huéspedes invertebrados (caracoles,

garrapatas o insectos). Con la ayuda de información satelital se puede incrementar el

conocimiento sobre la transmisión de enfermedades y la habilidad para rastrear y

monitorear el impacto de las intervenciones que quizá se hagan en la transmisión

(Hay, Randolph & Rogers, 2002).

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Es importante mencionar que las técnicas que utilizan sensores remotos (RS),

proceso por el cual se adquiere información acerca de un objeto o fenómeno a

distancia; tienen el potencial para revolucionar la disciplina de la epidemiología y su

aplicación en la salud humana (Hay, Randolph & Rogers, 2002).

2.2.1.6. Estrategias de participación comunitaria con enfoque ecosistémico en el control del Dengue. Experiencia en Cuba.

Dentro de los métodos y estrategias para llevar a cabo la prevención y control del

dengue, la participación de la comunidad ha tomado prioridad en algunas partes del

mundo de la cual se desprenden algunos conceptos básicos como participar que

significa tomar parte, la intervención de la gente en procesos que afectan su vida

(económicos, políticos, culturales y sociales), en cuestión de salud la participación

social comprende acciones en las que la población identifique y analice sus

problemas para formular y negociar propuestas de manera democrática. Aunque

desde el año de 1978 ya se tienen antecedentes en lograr salud para todos (Alma

Ata). Las principales estrategias: la organización comunitaria, educación para la

salud y la comunicación social en salud (Torres, 2008).

El Instituto de Medicina Tropical “Pedro Kourí”, con 70 años de servicio en la

Habana, Cuba brinda asesoría científico técnica a organismos e instituciones que

tengan interés en el desarrollo de las ciencias biomédicas, la prevención y el control

de las enfermedades transmisibles, de esta forma Cuba inició en el año 2000

experiencias con proyectos que utilizan un enfoque de eco-salud por las siguientes

razones: porque los ecosistemas cuentan con recursos finitos y si se quieren

preservar para nuestros predecesores se deben cuidar; así como también porque

aproximadamente el 80% de las enfermedades están relacionadas con los

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ecosistemas donde vivimos y finalmente, porque permite comprender las diversas

interacciones en la sociedad y cómo se relacionan con la salud en un determinado

ambiente (Torres, 2008).

Torres (2008), menciona que en el año 2003 se lleva a cabo el proyecto

Cotorro, donde la participación comunitaria dentro del mismo, es considerada un

proceso que involucra a los sectores y la población a beneficiarse desde el inicio al

fin, garantizando el aporte de su inteligencia y habilidades para resolver problemas y

encontrar soluciones “novedosas” llevando un control de las tareas y el

mantenimiento de lo realizado. Los objetivos consistieron en el diseño y ensayo de

un sistema de vigilancia para la prevención del dengue y la promoción de la

participación comunitaria en relación a la gestión del ecosistema vinculada al

mosquito Aedes aegypti y el Dengue.

La estrategia de Ecosalud se enfocaba en involucrar al gobierno y grupos

vecinales, entre otros, en una capacitación proporcionada por el consejo de salud.

Además, contaban con el apoyo de un Sistema de Información Geográfica (SIG) que

les proporcionaba mapas con el total de manzanas infectadas por el mosquito Aedes

aegypti, así como mapas de las manzanas con riesgo epidemiológico y zonas de

influencia de las manzanas con foco (infección). De esta manera, una vez

identificadas las zonas de riesgo se organizaron grupos vecinales motivados por

resolver problemas de su entorno y encabezaron procesos de participación,

capacitados con un programa específico y con una guía para realizar paso a paso su

trabajo. La Figura 2 y 2a muestran los tipos de salidas que proporciona el SIG

(Torres, 2008). Se diseñó y validó una estrategia gracias a la formación de los grupos

vecinales llamada, Proyecto: Ecosistemas Saludables para la prevención del

Dengue. Guía paso a paso para el trabajo de los Grupos vecinales. Cotorro 2003-

2005.

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Figura 2 Mapa de manzanas con foco de Aedes aegypti (Torres, 2008).

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Figura 2a Mapa de manzanas con riesgo epidemiológico (Torres, 2008).

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Como resultado se realizaron diálogos en las comunidades y se dieron talleres

de sensibilización con los organismos y organizaciones del municipio. Dentro de las

tareas de los grupos estaban: educar a los habitantes de los alrededores, vigilancia y

control de los peligros para la propagación del vector y abogar a favor de la solución

de problemas que requerían la atención de instituciones del área. La capacitación se

centró en cómo realizar el diagnóstico y profundizar en los problemas, abarcó temas

como problematización, comunicación, motivación, trabajo en grupos, dirección por

objetivos, enfoque lógico, mercadotecnia, entre otros (Torres, 2008).

En Cuba las condiciones ambientales, la colindancia con países de una alta

incidencia de dengue y ciertos comportamientos humanos favorecen el riesgo de

aparición de epidemias, como el Dengue. En conclusión, el proyecto Cotorro es una

propuesta de participación de la comunidad para que diagnostique problemas de

manera agradable y creativa, enfatizando en los que favorecen la reproducción de

mosquitos con el fin de convertir el municipio en un Ecosistema saludable.

2.3. Marco teórico

La Lógica Difusa (Fuzzy Logic) es parte de la lógica y fue diseñada para representar

niveles de imprecisión indicados por palabras como “muy”, “poco”, “bastante” o

“mucho”. Creando conjuntos de elementos llamados “conjuntos difusos o borrosos”

(fuzzy sets) con valores como “verdadero” o “más o menos verdadero”, entre otros, a

partir de los cuales se determina la pertenencia o no de un elemento al conjunto. Lo

que hace es representar el razonamiento humano a través de sentencias o reglas de

decisión llamadas reglas difusas o fuzzy rules (Padhy, 2005).

Las primeras aplicaciones de la Lógica Difusa se dieron en la ingeniería y

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después se extendieron a las ciencias sociales, para diagnósticos médicos y

sistemas de inventarios (Masao, 2001). A continuación se resumen a groso modo

conceptos clave relacionados con la Lógica Difusa, necesarios para comprender su

utilidad.

2.3.1. La Vaguedad (Fuzziness)

Masao (2001) nos dice que en nuestra vida diaria nos enfrentamos con la vaguedad,

es imposible vivir sin ella. Cuando queremos hacer algo primero elegimos hacia

dónde queremos ir, trazamos un camino y establecemos una meta. Pero a lo que nos

enfrentemos en el recorrido a la meta no podemos saberlo hasta que nos

encontramos frente al problema. No es posible definir los obstáculos o detalles de un

plan antes de que sea ejecutado. En las matemáticas, la vaguedad no existe, todo es

verdadero o es falso. Si uno comete un error las matemáticas lo examinan y lo

cuentan como tal. En una computadora sucede lo mismo, no le es posible evaluar la

vaguedad que existe en los sentimientos de una persona, por ejemplo, “sentir” que

marcamos la respuesta correcta al realizar un test. La realidad no se reconoce como

si (1) y no (0) ya que está llena de incertidumbre que puede llegar a producir

confusiones. Cuando decimos “si” o “no” también lo sentimos en nuestra mente. La

vaguedad, ambigüedad o incertidumbre es esencial e indispensable para el ser

humano.

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31 

 

2.3.2. Algunas semánticas ambiguas

En la referencia (Masao, 2001) nos muestra algunas semánticas ambiguas:

1. Incompleta: no entendible por la falta de información. Por ejemplo, Yo no

puedo hablar inglés. Así que no entiendo algo que se hable en inglés. Aunque la

información, tiene un significado, no podremos aceptarla por la falta de conocimiento.

En este caso del idioma inglés.

2. Ambigüedad: indefinición en varias interpretaciones de una palabra. Una

palabra en japonés como “hashi” tiene varios significados a lo que se le llama

ambigüedad de una palabra. Esta propiedad incluye también figuras; por ejemplo,

una famosa fotografía que puede ser vista como el rostro de una mujer joven y de

una mujer grande, a la vez.

3. Aleatoriedad: desconocida hasta que se realiza en el futuro. Cuál lado caerá

al lanzar un dado? Cuál pierna usaré primero al salir de casa? Son ejemplos de

ambigüedad con consideraciones a eventos futuros.

4. Imprecisión: no preciso o exacto. Cubre casos ambiguos que incluyen

errores o “ruido”. La ambigüedad es causada por la imprecisión de la información.

5. Vaguedad (Fuzzines): incapaz de definirse, o se tiene una definición sin

sentido. La ambigüedad en la semántica de las palabras como decidir si “ella es

bonita o no” o si “hace calor hoy o no”, la respuesta quizá depende de la percepción

individual.

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32 

 

2.3.3. Lógica para computadoras

La computadora está basada en la lógica binaria, en la que todo es si (1) o no (0) sin

rangos intermedios y la información digital también está representada por una

combinación de 0 y 1’s. A este principio donde no hay un estado intermedio se le

conoce como ley de exclusión del medio. La ventaja de la lógica binaria es lograr la

precisión requerida en teoría por el incremento de dígitos así como ser capaz de

programar cualquier procedimiento definido claramente y hecho por computadoras.

El uso de la electrónica ha permitido la implementación de computadoras de alta

velocidad y menor tamaño, más fácil diseño del sistema, tolerancia al ruido y una

arquitectura de hardware más simple. La información orientada a la sociedad es

posible debido a las computadoras. Las comunicaciones y las bases de datos

ayudan a la sociedad a ser más práctica; así como también comunicaciones digitales

llamadas Sistemas de Redes de Información (SRI) y Servicios Integrados de Redes

Digitales (SIRD) (Tanaka, 1997).

2.3.4. Lógica Difusa

La Lógica Difusa es un conjunto bien desarrollado de conceptos, técnicas y teoremas

para manejar la vaguedad y la imprecisión. Es una de las técnicas de la Inteligencia

Artificial utilizada en aplicaciones prácticas, dentro del ámbito industrial y

empresarial, en tareas como clasificación, reconocimiento de patrones o de control

de dispositivos como ferrocarriles o lavadoras automáticas (Rich y Knight,1994).

Emula una de las funcionalidades “inteligentes” de los seres humanos, en este

caso, el razonamiento con incertidumbre o conocimiento incierto, a través de la

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33 

 

creación de conjuntos difusos permite representar proposiciones como (Pajares,

Sanz y Santos, 2005):

Juan es muy alto

María está un poco enferma

Luisa y Josefina son amigas muy íntimas

Las excepciones a la regla son casi imposibles

La mayoría de los hombres franceses son muy altos

Son situaciones donde intervienen consideraciones subjetivas, en las que

resulta difícil determinar la pertenencia o no de un elemento a un conjunto. Tales

conjuntos pueden recibir el calificativo de “borrosos” para indicar que no existe un

criterio que determine exactamente un límite entre la pertenencia y no pertenencia al

conjunto (Pajares, Sanz y Santos, 2005).

2.3.5. Teoría de Lógica Difusa

Masao (2001) nos dice que existen múltiples ambigüedades ya que hay cosas

indefinidas que pueden cambiar. Mientras que las cosas definidas pueden ser

determinadas de forma única. Los cuestionamientos pueden ser modelados en lógica

binaria. Sin embargo, no es seguro aplicar sólo Lógica Difusa a las ambigüedades ya

que es difícil tener solo una teoría que cubra todas las ambigüedades. La

Probabilidad, es la única teoría reconocida de todas las teorías que estudian la

ambigüedad. La Probabilidad y la Teoría de Lógica Difusa estudian la ambigüedad.

La Teoría de Lógica Difusa inició con un documento en “conjuntos difusos”

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34 

 

publicado en un diario académico “Information and Control” en 1965 por el Profr. L.

A. Zadeh. En el documento el Profr. Zadeh nombra como conjuntos difusos aquellas

expresiones o palabras que no son claras como “conjunto de mujeres bellas”,

“conjunto de números grandes” o “conjunto de personas altas” Señaló que los

conjuntos difusos juegan un importante papel en el razonamiento humano para el

reconocimiento de patrones, que es la capacidad elemental, la comunicación de

semántica y especialmente la abstracción. Extendió su aseveración en una teoría

matemática (Tanaka, 1997).

2.3.6. Teoría de conjuntos difusos

La teoría de conjuntos difusos ha encontrado su mayor aplicación en los campos del

reconocimiento de patrones y el procesamiento de imágenes. Modelos para realizar

reconocimiento de patrones han sido publicados presentando varias contribuciones

empezando desde conceptos hasta la aplicación de modelos difusos para la solución

de problemas de la vida real (Zheru, Hong & Tuan, 1996).

2.3.6.1. Conjuntos ordinarios y difusos

Padhy (2005) describe un conjunto ordinario como una colección de elementos

diferentes, incluso puede contener otros conjuntos ordinarios llamándose de esta

forma, un superconjunto en la teoría convencional. Matemáticamente se puede

representar este subconjunto por medio de una función característica, donde el superconjunto a su vez representará el universo del discurso, si define los límites

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35 

 

( )Α xμ

( )Α xμ

dentro del cual todos los elementos residen.

“Un conjunto difuso es una colección de distintos elementos con una variación

en el grado de pertenencia o inclusión al conjunto” (Padhy, 2005).

En la teoría convencional un elemento cualquiera pertenece o no a un

conjunto. Considerando el conjunto A, el análisis de un elemento x usando la función

de pertenencia se expresa de la siguiente forma ecuación (7) (Padhy, 2005):

( )⎩⎨⎧

Α∉Α∈

=Α xx

x,0,1

μ (7)

Padhy (2005) apunta que en los conjuntos difusos se permiten expresar varios

grados de pertenencia al conjunto. La función de pertenencia denotada por

permite expresar todos los valores intermedios entre 0 y 1 y se indica entre

corchetes, esto es, todos los números dentro del intervalo [0,1]. Desde este intervalo,

la función contiene infinitos números e infinitos grados del miembro que son posibles.

En la siguiente ecuación la función miembro traza cada elemento del universo de

discurso X al intervalo [0,1] ecuación (8).

( ) ]1,0[:x →Α Xμ (8)

Padhy (2005) menciona que existen 2 formas de denotar los conjuntos

difusos. Si X es el universo del discurso; y x es un elemento en particular de X,

entonces un conjunto difuso A definido en X quizá sea escrito como una colección de

pares ordenados de la siguiente forma ecuación (9):

( )( ){ } Xxx ∈Α=Α Α ,,μ (9)

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36 

 

))(,( xx Αμ( )Α xμ

( )Α xμ

ii xx /)(Αμ

Donde cada par es llamado singleton y muestra a x seguida por

su miembro en A, . La función característica en la teoría convencional de

conjuntos sólo distingue entre pertenecer y no pertenecer al conjunto. Reformulando

el conjunto ordinario A como ecuación (10) (Padhy, 2005):

}{x=Α (10)

Donde sólo se incluyen los elementos con funciones características iguales a 1.

En los conjuntos ordinarios, un singleton es sólo el elemento x por sí mismo. En los

conjuntos difusos, un singleton está compuesto por 2 términos: x y

.. Se denota también como ecuación (11) (Padhy, 2005):

xx /)(Αμ (11)

Donde el símbolo ‘/’ es utilizado para separar la función miembro del elemento

x. Los singletons cuya membresía al conjunto sea 0 se pueden omitir. Por ejemplo,

un conjunto de enteros E definido sobre el universo de discurso de enteros positivos

quizá sea dado por la colección o unión de todos los singletons

como ecuación (12) (Padhy, 2005):

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )}1.0,8,1.0,7,3.0,6,3.0,5,5.0,4,75.0,3,0.1,2,0.1,1{=Α (12)

Padhy (2005), define el conjunto difuso como ecuación (13):

∑∈

Α=Α

Xxii

i

xx /)(μ (13)

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37 

 

xx /)(Αμ

xx /)(Αμ

Una notación alternativa utilizada más frecuentemente representa un conjunto

difuso como la unión de todos los singletons, ver ecuación (14) (Padhy,

2005):

iiXxxx

i

/)(Α∈∪=Α μ (14)

Con esta notación el ejemplo de los números enteros puede representarse

como sigue, ver ecuación (15) (Padhy, 2005):

8/)8(7/)7(6/)6(5/)5(4/)4(3/)3(2/)2(1/)1(

ΑΑΑ

ΑΑΑΑΑ+++

++++=Αμμμ

μμμμμ (15)

8/1.07/1.06/3.05/3.04/5.03/75.02/0.11/0.1 +++++++=

Para un universo continuo del discurso, se denota como en la ecuación (16)

(Padhy, 2005):

∫ Α=Αx

xx /)(μ (16)

donde, la integral representa la unión de todos

singletons. La diferencia entre los conjuntos ordinarios y los conjuntos

difusos radica en la función de pertenencia, para los conjuntos ordinarios es total o

nula, mientras que para los conjuntos difusos admiten pertenencia parcial (Padhy,

2005).

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38 

 

2.3.6.2. Operaciones de los conjuntos difusos

Padhy (2005) apunta que cuando se involucran en la descripción de incertidumbre de

un problema dado dos o más conjuntos difusos, la solución analítica casi siempre

requiere de operaciones entre estos conjuntos. Algunas de las operaciones tales

como intersección y unión son definidas por los operadores min (∧) y max (∨),

utilizados para seleccionar el mínimo y máximo, respectivamente, de dos elementos.

Siendo similares al producto (⋅) y la suma (+) en álgebra.

Por ejemplo 3 ∧ 4 = 3 y 3 ∨ 4 = 4 ó min(3,4)=3 y max(3,4)=4 (Padhy, 2005).

Padhy (2005), menciona que en general, el mínimo de elementos μ1 y μ2 es

denotado como en la ecuación (17):

( ) ( )2121 ,,,min μμμμ ∧ ó 21 μμ ∧ (17)

Un conjunto difuso vacío A≡○ (18)

si 0)( =Α xμ Xx∉∀ (19)

Un conjunto difuso normal 1)( =Α xμ (20)

Igualdad de conjuntos difusos A≡B

si )()( xx Bμμ =Α (21)

Unión de dos conjuntos difusos (operador lógico OR)

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39 

 

)()()( xxx Bμμμ ∨= ΑΒ∪Α (22)

Intersección de conjuntos difusos (operador lógico AND)

)()()( xxx Bμμμ ∧= ΑΒ∩Α (23)

Complemento de un conjunto difuso (Ā Negación)

)(1)( xx ΑΑ −= μμ (24)

Producto de dos conjuntos difusos

)()()( xxx Bμμμ ⋅= ΑΒ⋅Α (25)

Infinito de un conjunto difuso (VERY). Entre corchetes el conjunto difuso es

llamado dilatación o DIL (operación para representar el modificador lingüístico MORE

or LESS) (Padhy, 2005). Ver ecuación (26):

[ ]αα μμ )()( xx ΑΑ= (26)

Concentración de un conjunto difuso denotado como CON(A), ver ecuación

(27):

[ ]2)( )()( xxCON ΑΑ ≡ μμ (27)

Dilatación de un conjunto difuso denotado como DIL(A) en la siguiente

ecuación (28):

)()()( xxDIL ΑΑ ≡ μμ (28)

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40 

 

2.3.6.3. Propiedades de los conjuntos difusos

Las propiedades más importantes de los conjuntos difusos son (Masao, 2001):

Cardinalidad. Se refiere al número total de elementos en el conjunto. Ver

ecuación (29):

( ) ∑ Α=Αix

ixCard )(μ (29)

Altura. Se divide en normal cuando altura=1 y subnormal con altura < 1. Un

conjunto subnormal es un conjunto difuso que contiene sólo una parte de los

miembros y es generado en el proceso de razonamiento difuso basado en reglas.

Ver ecuación (30):

( ) )(max iix

xHeight Α=Α μ (30)

Convexidad. Ver ecuación (31):

[ ] { })(),(min)1( baba ΑΑΑ ≥−+ μμλλμ (31)

Para todo a, b ∉ X y 0 ≤ λ ≥ 1, esto es, el valor del miembro de cualquier

elemento dado en el intervalo [a,b] no debe ser menor que el valor del miembro de

cualquier punto final (Masao, 2001).

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41 

 

2.3.6.4. Medidas de Vaguedad (Fuzziness)

Padhy (2005) señala que estas medidas indican el grado de vaguedad de un

conjunto difuso dado. De Luca y Termini sugieren como una medida de vaguedad la

“entropía” de un conjunto difuso por ejemplo ver ecuación (32):

( ){ })(, xx Α=Α μ (32)

Es definido como en la ecuación (33) y (34):

( ) ( ) ( ) XxHHd ∈Α⊄+Α=Α , (33)

( ) [ ]∑=

ΑΑ ×Κ−=Αn

iii xxH

1)(ln)( μμ (34)

n= número de elementos de Ā

K= constante positiva

2.3.6.5. Relaciones difusas

Este tema se basa en la idea de establecer relaciones entre conjuntos difusos

resaltando las propiedades de las conexiones entre los elementos de un conjunto

difuso y otro (Padhy, 2005).

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42 

 

De igual forma (Padhy, 2005) nos comenta que cuando dos elementos

pertenecen a una relación R se les denomina pares ordenados denotado como (a,b)

∉R o aRb, siendo a el primer elemento y b el segundo. Las relaciones con dos, tres y

n elementos asociados son conocidas, respectivamente como relaciones binarias,

terciarias y n-arias. A su vez una asociación de n elementos en una relación n-aria es

llamada n-tupla, donde cada tupla está relacionada con un grado. Ver ecuación (35):

( ) ( )( ){ }yxyxR R ,,, μ= (35)

Donde cada par ordenado (x,y) pertenece al producto cartesiano de las X x Y.

Se puede reutilizar la notación para formar la unión de todas las singleton de X x Y,

ver ecuación (36):

( ) ( )jiXxYjyix

ji yxyxR ,/,),(∑

= (36)

Producto cartesiano, ver la siguiente ecuación (37):

∫= XxY R yxyxR ),/(),(μ (37)

La misma notación se utiliza para cualquier n-aria relación difusa. Una forma

de representarlas es la matriz de pertenencia (de una n x m relación binaria difusa)

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

=

),()...,(),(

),()...,(),(

...),()...,(),(

21

22212

12111

nmRmRmR

nRRR

nRRR

yxyxyx

yxyxyx

yxyxyx

R

μμμ

μμμ

μμμ

(38)

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43 

 

A continuación se describen algunas relaciones especiales y su respectiva

matriz de pertenencia (Masao, 2001):

- Relación difusa de identidad R1, la diagonal principal de elementos es 1 y los

demás elementos 0.

⎥⎥⎥

⎢⎢⎢

⎡=

100010001

R (39)

- Relación difusa universal RE todos los elementos de la matriz son 1’s

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

111...

1...111...11

R (40)

-Relación difusa nula R0 todos los elementos de la matriz son 0’s

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=

000...

0...000...00

R (41)

La transpuesta de una matriz de pertenencia R es la inversa de la relación R,

denotada por R-1

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44 

 

),(),(1 yxxy RR μμ =− (42)

⎥⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢⎢

=−

),()...,(),(...

),()...,(),(),()...,(),(

21

22221

112111

nmRnRnR

mRRR

mRRR

yxyxyx

yxyxyxyxyxyx

R

μμμ

μμμμμμ

(43)

La transpuesta se obtiene haciendo los renglones de R las columnas de R-1 y

las columnas de R los renglones de R-1.

La inversa de una relación inversa es la relación original, así mismo para la

inversa de una matriz es la matriz original.

(R-1) -1=R (44)

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45 

 

2.3.7. Modelos difusos

Zheru, Hong & Tuan (1996), reconocen que existen varios modelos para resolver

problemas en reconocimiento de patrones y procesamiento de imágenes los más

populares son: el uso de funciones de pertenencia difusas, “clustering” difuso,

sistemas basados en reglas difusas, entropía difusa (medida de la vaguedad),

medida difusa e integral difusa. A groso modo se describen a continuación:

1. Funciones de pertenencia difusas: base de todo modelo difuso, capaz de

modelar la transición gradual de una región a otra en un modo sutil. Esto ha

sido aplicado para medir la vaguedad característica en el reconocimiento de

caracteres numéricos manuscritos. El uso directo de funciones de pertenencia

tiene como objetivo encontrar un realce eficaz para una imagen donde

diferentes tipos de funciones de pertenencia son utilizadas para reducir la

cantidad de iteraciones ejecutadas por una técnica de relajación y

proporcionan una mejor manera para manejar la incertidumbre del histograma

de la imagen.

2. “Clustering” difuso: Ha sido un método de solución dominante para un

patrón de clasificación de problemas. Sin embargo, existen sólo unos pocos

casos donde las diferencias entre los patrones son puros. Muchos problemas

que implican la clasificación analizando imágenes y visión por computadora,

han sido efectivamente resueltos usando técnicas de “clustering” difuso.

3. Emparejamiento de formas difuso: Muchos problemas de reconocimiento

de patrones pueden ser simplificados a un punto o tareas de emparejamiento

de patrones de línea. Los algoritmos difusos pueden manejar la ambigüedad y

características difusas de puntos ruidosos o patrones de línea.

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46 

 

4. Sistemas basados en reglas difusas: Este sistema es importante punto de

investigación de la Inteligencia Artificial. Se cree que nosotros como seres

humanos tomamos una percepción del mundo que nos rodea de una manera

cuadrada cuando en la vida real casi todo es incierto. Estos sistemas basados

en reglas encuentran su aplicación en varios campos incluyendo control, toma

de decisiones y reconocimiento de patrones. Consisten en un conjunto de

reglas IF-THEN que junto con una máquina de inferencia, un “fuzzifier” y un

“defuzzifier” forman un sistema basado en reglas de decisión. El papel que

desempeña un “fuzzifier” es trazar puntos en el espacio de entrada a

subconjuntos difusos aplicando funciones de pertenencia. El desempeño del

sistema depende las funciones elegidas, en particular, para sistemas

dedicados al procesamiento de imágenes y reconocimiento de patrones.

5. Entropía difusa: La entropía difusa o medida de vaguedad término

introducido por De Luca y Termini. Es una función para medir el grado de

vaguedad de un conjunto difuso, el cual está basado en la función de

Shannon. El modelo de entropía difusa ha sido aplicado para proveer una

medida cuantitativa de ambigüedad a los problemas de tono de grises del

realce de una imagen. La medida de la vaguedad basada en distancia métrica

es útil también en diagnósticos médicos como los síntomas de varias

enfermedades expresadas por pacientes superpuestos unos a otros.

6. Medida difusa e Integral difusa: Basada en la notación de la teoría de

conjuntos difusos, términos introducidos por Sugeno. La Integral difusa es un

tipo de operador de agregación de información.

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47 

 

2.3.8. Análisis por grupos (Cluster analysis)

De acuerdo con (Jain & Dubes, 1988) el Análisis por grupos es el proceso de

clasificar objetos dentro de subconjuntos que tienen un significado en el contexto de

un problema en particular y en donde los objetos están organizados en una

representación eficiente que caracteriza la población muestra. En el campo del

reconocimiento de patrones e inteligencia artificial a esto se le llama “aprendizaje no

supervisado”.

Jain & Dubes (1988) nos dicen que el Análisis por grupos organiza datos

abstrayendo una profunda estructura como un grupo de individuos o como una

jerarquía de grupos, sirve como herramienta para explorar la estructura de los datos

que no requieren suposiciones comunes a la mayoría de los métodos estadísticos.

Su objetivo no es establecer reglas que separen los futuros datos en categorías, sino

simplemente encontrar una válida y conveniente organización de ellos.

También, es el estudio formal de algoritmos y métodos para el agrupamiento o

clasificación de objetos, donde un objeto es descrito por un conjunto de medidas o

por las relaciones entre los objetos con otros objetos. Existen algoritmos de

agrupamiento encaminados a encontrar una estructura en los datos; agrupan

objetos, artículos de datos, basados en índices de proximidad entre los pares de

objetos. Los objetos mismos han sido llamados individuos, casos, temas y UTOs

(Unidades Taxonómicas Operacionales) (Jain & Dubes, 1988).

Jain & Dubes (1988), mencionan que otras definiciones lo describen como un

conjunto de entidades las cuales se parecen y entidades de diferentes grupos

(clusters) que no se parecen o descritos como regiones conectadas de un espacio

multi-dimensional que contiene relativamente una alta densidad de puntos,

separados de otras regiones por una región, que contiene relativamente una baja

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48 

 

densidad de puntos. Esta última definición supone que los objetos a ser agrupados

están representados como puntos en el espacio a medir. Es difícil definir un grupo

(cluster) ya que los objetos pueden ser agrupados en grupos pero con diferentes

propósitos. Los datos pueden revelar grupos de diferentes “figuras” y “tamaños”.

Además, la pertenencia al grupo puede cambiar con el tiempo, como es el caso con

los grupos de estrellas en la que el número de grupos depende de la resolución con

la que se ven los datos. En la Figura 3 se muestra un ejemplo donde se perciben

cuatro grupos a nivel local o nivel alto de similitud. En cambio, en un nivel bajo se

perciben doce grupos. El problema al identificar los grupos radica en especificar cuál

es la proximidad y cómo medirla.

Figura 3 Grupos o Clusters de patrones de puntos en dos dimensiones (Jain &

Dubes, 1988, p. 2).

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49 

 

En un ejemplo más real considerar el problema de agrupar todos los colegios

y universidades. Pueden ser agrupados basándose en su localización geográfica,

cantidad de estudiantes, tamaño del campus o las ofertas de varios programas de

graduados. Los factores dependen del objetivo del análisis. Las figuras y tamaños de

los grupos formados dependerán del atributo en particular utilizado para definir la

similitud entre los colegios. Se generan interesantes y estimulantes problemas si se

toman varios atributos juntos para construir los grupos. Un grupo podría representar

colegios privados de la zona oeste principalmente dedicados a las artes con menos

de 1000 estudiantes y otro grupo puede representar a todas las universidades del

estado. Las características o atributos mencionados distan mucho de ser medidos.

¿Qué hay de los atributos como calidad de la educación, calidad de la facultad y de

la vida del campus los cuales no pueden ser medidos fácilmente? Se puede hacer un

sondeo entre los alumnos o con un panel de expertos para obtener de cualquiera una

marcación numérica (en una escala del 1 al 10) para estos factores o medidas de

similitud para todos los pares de universidades. Estos marcadores o similitudes

deberán ser promediados entre todos los que respondieron porque las opiniones

individuales son diferentes.

El ejemplo ilustra la diferencia entre la toma de decisiones y el agrupamiento.

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50 

 

2.3.9. Agrupamiento o clustering

El clustering es un tipo especial de clasificación. En la Figura 4 se muestran en un

árbol los tipos de clasificación del clustering (Jain & Dubes, 1988).

Figura 4 Árbol con los tipos de clasificación del agrupamiento o clustering (Jain &

Dubes, 1988, p. 56)

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51 

 

Estos tipos de clasificación son definidos por Jain & Dubes (1988) de la siguiente

manera:

Exclusiva vs. no-exclusiva. La clasificación exclusiva consiste en una partición del

conjunto de objetos, donde cada uno pertenece a exactamente un subconjunto o

grupo (cluster). Por el contrario, la clasificación no-exclusiva o superpuesta, permite

asignar un objeto a varias clases. Por ejemplo, una agrupación de personas por edad

o sexo es exclusiva, mientras que si se agrupa por tipos de enfermedad es no-

exclusiva porque una persona puede tener una o más enfermedades al mismo

tiempo. El agrupamiento difuso pertenece a un tipo de clasificación no-exclusiva en la

cual a un patrón se le asigna un grado de pertenencia a cada grupo formado en una

partición.

Intrínseca vs. extrínseca. La clasificación intrínseca utiliza sólo una matriz de

proximidad para realizar la clasificación, en el reconocimiento de patrones es llamada

“aprendizaje no supervisado” porque no utiliza etiquetas denotando una partición

anterior de los objetos. La clasificación extrínseca sí utiliza etiquetas en los objetos

así como la matriz de proximidad. El problema con estas clasificaciones consiste en

establecer un punto discriminante que separe los objetos de acuerdo a la categoría.

En otras palabras, un clasificador extrínseco depende de “un maestro”, mientras que

un clasificador intrínseco tiene sólo la matriz de proximidad.

Un camino para evaluar una clasificación intrínseca es verificar cómo el grupo

de etiquetas, asignado a los objetos durante la agrupación, coincide con la categoría

de etiquetas, asignado a priori. Por ejemplo, suponiendo que diversos índices de

salud personal fueron reunidos de fumadores y no fumadores. Una clasificación

intrínseca agruparía a los individuos basada en las similitudes entre los índices de

salud y entonces trata de determinar si fumar fue un factor en la propensión de los

individuos hacia diversas enfermedades. Una clasificación extrínseca trataría de

estudiar formas de discriminar fumadores de no fumadores basada en índices de

salud.

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52 

 

La clasificación intrínseca es la esencia del análisis por grupos (cluster analysis).

Jerárquica vs. particional. Las clasificaciones exclusiva e intrínseca son

subdivididas dentro de clasificaciones jerárquica y particional por el tipo de estructura

impuesta en los datos. Una clasificación jerárquica es una secuencia anidada de

particiones, la particional es una partición individual. El término agrupamiento

(clustering) se utiliza para una exclusiva e intrínseca clasificación particional; el

término agrupamiento jerárquico (hierarchical clustering) para una exclusiva e

intrínseca clasificación jerárquica.

Diversos algoritmos pueden ser propuestos para expresar la misma exclusiva

clasificación intrínseca. A continuación se explican las principales opciones

algorítmicas de uso común (Jain & Dubes, 1988).

1. Aglomerativa vs. divisiva. Una aglomerativa clasificación jerárquica sitúa cada

objeto en su propio grupo y gradualmente une estos grupos atómicos dentro de

grupos más largos hasta que todos los objetos están en un solo grupo (cluster). Una

divisiva clasificación jerárquica revierte el proceso iniciando con todos los objetos en

un grupo y subdividiéndolos en pequeñas piezas. Así esta opción corresponde a un

procedimiento de elección en lugar de un tipo diferente de clasificación. Una partición

individual puede ser establecida pegando juntos pequeños grupos (aglomerativa) o

fragmentando a un único grupo (divisiva).

2. Serial vs. simultánea. Procedimientos seriales manejan patrones uno por uno,

mientras que la clasificación simultánea trabaja con el conjunto entero de patrones al

mismo tiempo.

3. Monotético vs. politético. Esta opción es más aplicable a problemas en

taxonomía, donde los objetos a ser agrupados son representados como patrones o

puntos en un espacio. Un algoritmo de agrupamiento monotético utiliza las

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53 

 

características una por una, un procedimiento politético utiliza todas las

características a la vez. Por ejemplo, una característica diferente se puede utilizar

para formar cada partición en una clasificación jerárquica bajo un algoritmo

monotético.

4. Teoría de grafos vs. álgebra de matrices. ¿Cuál es el formalismo matemático

apropiado para expresar un algoritmo de agrupamiento? Algunos algoritmos se

expresan en términos de Teoría de Grafos, usando propiedades tales como

conectividad y exhaustividad para definir clasificaciones y otros algoritmos se

expresan en términos de construcciones algebraicas, tales como la cuadrática media

de error. La elección dependerá de la claridad, conveniencia y elección personal.

2.3.9.1. Agrupamiento jerárquico (Hierarchical Clustering)

Jain & Dubes (1988), mencionan que este método es un procedimiento para

transformar una matriz de proximidad en una secuencia de particiones anidadas. Un

algoritmo de agrupamiento jerárquico es la especificación de pasos para transformar

un agrupamiento jerárquico. Esto a menudo es conveniente para caracterizar un

método de agrupamiento jerárquico escribiendo un algoritmo, pero el algoritmo debe

ser separado del método mismo. Además, para definir algoritmos y métodos, se

define el tipo de estructura matemática impuesta a un agrupamiento jerárquico de

datos y se describen formas de ver la estructura (Jain & Dubes, 1988).

La notación de secuencia de particiones anidadas:

Los n objetos a ser agrupados son denotados por el conjunto de X .

donde xi es el iésimo objeto. Una partición, C, de X divide a X en subconjuntos {C1,

C2,..., Cm} reuniendo lo siguiente, ver ecuación (45) y (46):

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54 

 

Ci ∩ Cj= Φ para i y j de 1 a m, i ≠ j (45)

C1 ∪ C2 ∪...� Cm = X (46)

En la notación, “∩” a favor de establecer una intersección, “∪” a favor de

establecer una unión y Φ es el conjunto vacío. Un agrupamiento es una partición; los

componentes de la partición son llamados grupos (clusters). La partición B está

anidada en la partición C si cada componente de B es un subconjunto de un

componente de C .

Esto es, C está formado por la fusión de componentes de B . Por ejemplo, si el

agrupamiento C con 3 grupos y el agrupamiento B con 5 grupos son definidos como

sigue, entonces B está anidado en C . Ambos C y B son agrupamientos del

conjunto de objetos {x1, x2,..., x10}. Ver ecuación (47) y (48):

C = {(x1, x3, x5, x7), (x2, x4, x6, x8), (x9, x10)} (47)

B = {(x1, x3), (x5, x7), (x2), (x4, x6, x8), (x9, x10)} (48)

Ni B ni C está anidada en la siguiente partición, ni la partición está anidada en

C o B . Ver ecuación (49):

{(x1, x2, x3, x4), (x5, x6, x7, x8), (x9, x10)} (49)

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55 

 

Un agrupamiento jerárquico es una secuencia de particiones en el cual cada

partición está anidada en la siguiente partición en la secuencia. Un algoritmo

aglomerativo para el agrupamiento jerárquico inicia con la agrupación disjunta, la

cual sitúa cada uno de los n objetos en un grupo individual. El algoritmo de

agrupamiento utilizado dicta cómo la matriz de proximidad debería ser interpretada

para unir 2 o más de estos grupos, así anidando el agrupamiento trivial en una

segunda partición. El proceso se repite para formar una secuencia de agrupamientos

anidado en el que el número de grupos disminuye a medida que avanza la secuencia

hasta que siga siendo un solo grupo que contenga todos los objetos n, llamado el

conjunto de agrupaciones. Un algoritmo divisivo transforma la tarea en el orden

inverso.

Una foto del agrupamiento jerárquico es más fácil de comprender que una lista

de símbolos abstractos. Un dendrograma es un tipo especial de estructura de árbol

que ofrece un panorama del agrupamiento jerárquico, consiste en capas de nodos,

cada una representando un grupo. Líneas conectan nodos representando grupos los

cuales están anidados dentro de otros. Un dendrograma de corte horizontal crea una

agrupación o clustering. La Figura 5 muestra un ejemplo de un dendrograma (Jain &

Dubes, 1988).

Figura 5 Ejemplo de dendrograma (Jain & Dubes, 1988, p. 59).

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56 

 

El nivel, o el valor de proximidad, a una agrupación que está formada también

pueden registrarse. Si los objetos son representados como patrones, o puntos en un

espacio, los centros de los grupos pueden ser importantes, tanto como los

diferenciales de los grupos. Dos métodos específicos de agrupamiento jerárquico son

el vínculo único y el enlace completo. Las secuencias de agrupamientos creados por

estos métodos dependen de las proximidades sólo a través de su orden de rango.

Así primero se asume una escala ordinal para las proximidades y se utiliza la Teoría

de Grafos para expresar los algoritmos. Los métodos jerárquicos de vínculo único y

enlace completo no están limitados a datos ordinales.

2.3.9.2. Algoritmos de vínculo único y enlace completo de la Teoría de Grafos

Jain & Dubes (1988), nos explican que inicia con una matriz de proximidad n x n D=

[d(i, j)]. Las n(n-1)/2 entradas en uno de los lados de la diagonal principal se supone

que contienen una permutación de enteros de 1 a n(n-1)/2 sin vínculos. Esto es, las

proximidades son en una escala ordinal. Se toman las proximidades a ser

disimilares; d(1,2) > d(1,3) significa que los objetos 1 a 3 se parecen más que los

objetos 1 y 2. Ver la matriz de proximidad en la Figura 6.

D1=

Figura 6 Matriz de proximidad n= 5 (Jain & Dubes, 1988, p. 60)

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57 

 

Un grafo threshold es un grafo no dirigido y no ponderado con n nodos sin

ciclos libres o múltiples aristas. Cada nodo representa un objeto. Un grafo threshold

G(v) está definido por cada nivel de disimilitud insertando una arista (i, j) entre los

nodos i y j si los objetos i y j son menos disímiles que v. Ver ecuación (50):

Esto es, (i, j) ∈ G(v) si y solo si d(i, j) ≤ v (50)

Asumiendo que d(i, j)=0 para toda i. Así G(v) define una relación binaria para

cualquier número real v que sea reflexivo y simétrico. Una relación binaria es un

subconjunto del producto del conjunto X x X , donde X es el conjunto de los objetos.

Objetos xi y xj están “relacionados” si sus disimilitudes están por debajo del threshold

(umbral) v.

A continuación en la Figura 7 se muestra la relación binaria resultado de la

matriz de proximidad D1 por encima de un umbral (threshold) de 5. El símbolo “*” en

la posición (i, j) de la matriz significa que el par (xi, xj) pertenece a la relación binaria.

Figura 7 Relación Binaria y umbral gráfico de 5 (Jain & Dubes, 1988, p. 61).

Algoritmos simples para los métodos de agrupamiento vínculo único y enlace

completo basados en grafos threshold deberían ayudar a conceptualizar el camino

en el cual las dos jerarquías son formadas y pueden fácilmente ser aplicadas a

pequeños problemas. Ambos algoritmos asumen una matriz de disimilitud que

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58 

 

contengan entradas no vinculadas y produzca una secuencia anidada de

agrupamientos que pueden ser tomados en un dendrograma.

2.3.9.3. Algoritmo aglomerativo para un agrupamiento de vínculo único Paso 1. Inicia con el agrupamiento disjunto implícito por el grafo threshold G(0), el

cual no contiene bordes y sitúa cada objeto en un único grupo, como el agrupamiento

actual. Conjunto k ← 1

Paso 2. Formar un grafo threshold G (k).

Si el número de componentes (subgrafos máximos conectados) en G (k) es

menor que el número de clusters en el agrupamiento actual, redefinir el

agrupamiento actual nombrando cada componente de G (k) como un grupo (cluster).

Paso 3. Si G(k) consiste de un único grafo conectado, detenerse. Si no, establecer k

← k + 1 e ir al paso 2.

2.3.9.4. Algoritmo aglomerativo para un agrupamiento de enlace completo Paso 1. Inicia con un agrupamiento disjunto implícito por un grafo threshold G(0), el

cual no contiene bordes y sitúa cada objeto en un único grupo, como el agrupamiento

actual. Conjunto k ← 1

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59 

 

Paso 2. Formar un grafo threshold G (k).

Si dos de los grupos actuales forman una pandilla (subgrafos máximos

completos) en G (k), redefinir el agrupamiento actual mediante la fusión de estos dos

grupos en un solo.

Paso 3. Si k = n(n – 1)/2, a fin de que G (k) sea el grafo completo en los n nodos,

detenerse. Si no, establecer k ← k + 1 e ir al paso 2.

Estos algoritmos pueden ser extendidos a matrices disimilares en intervalos de

radio y escalas tanto, como las entradas no estén vinculadas. Ver a G (k) como el

grafo threshold que contiene bordes correspondientes a las k más pequeñas

disimilitudes.

Un dendrograma threshold registra los agrupamientos en el orden en el cual

son formados, independientemente del nivel de disimilitud en el que los

agrupamientos primero aparezcan.

Un dendrograma de proximidad lista los niveles de disimilitud en el que cada

agrupamiento forma y, en efecto, es una transformación no lineal de la escala

utilizada con un dendrograma threshold. Un agrupamiento de vínculo único en G (v)

es definido en términos de subgrafos conectados en G(v); el agrupamiento de enlace

completo utiliza subgrafos completos. Sin embargo, no todos los subgrafos máximos

completos en un grafo threshold necesitan ser grupos de enlace completo. El orden

en el cual los grupos son formados es crucial.

En la Figura 8 se presentan los agrupamientos jerárquicos de vínculo único y

enlace completo para la matriz de proximidad D1 . Los primeros 7 grafos threshold en

la secuencia de 10 se muestran con nodos etiquetados a fin de que el nodo j denote

xj. Toda la jerarquía del vínculo único está definida por los primeros 4 grafos

threshold.

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60 

 

Figura 8 Umbral gráfico y dendrogramas para agrupamiento jerárquico de vínculo

único y enlace completo (Jain & Dubes, 1988, p. 62).

Sin embargo, los primeros 7 grafos threshold son necesarios para determinar la

jerarquía del enlace completo. Una vez que los 2 grupos del agrupamiento de enlace

completo han sido obtenidos, no se necesitan dibujar más grafos threshold porque

los 2 grupos serán fusionados en el agrupamiento conjunto solo cuando todos n(n-

1)/2 bordes han sido insertados. El ejemplo demuestra la importancia en la jerarquía.

Objetos {( x2, x5, x4)} forman una pandilla, o un subgrafo máximo completo, en el

grafo threshold G(5), pero los 3 objetos no son un grupo de enlace completo. Una

vez que los grupos de enlace completo {x2, x3} y {x1, x4} han sido establecidos, el

objeto x5 debe fusionarse con uno de los 2 grupos establecidos, una vez formados,

los grupos no pueden disolverse ni superponerse. Los dendrogramas por sí mismos

son dibujados con cada agrupamiento mostrado en un nivel aparte, aunque por

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61 

 

ejemplo, el agrupamiento de vínculo único de 2 grupos se obtiene de G (3) y el

agrupamiento de enlace completo de 2 grupos se obtiene de G (7).

La interpretación del dendrograma no está bajo consideración pero en la figura

anterior da lugar a una pregunta acerca del objeto x5 . Pertenece al grupo {x2, x3} o

al grupo {x1, x4}? Otro caso puede hacerse por llamar a {x2, x4, x5} un grupo. Quizá

una estructura jerárquica no es apropiada para esta matriz de proximidad.

Hubert (1974) provee los siguientes algoritmos para generar agrupamientos

jerárquicos por los métodos de vínculo único y enlace completo. Cuando la matriz de

proximidad no contiene vínculos, los agrupamientos están numerados 0,1..., (n – 1)

y el agrupamiento matemático, Cm, contiene n – m grupos.

2.3.10. Métodos de agrupamiento basados en la Teoría de Grafos

Las sentencias de los algoritmos de vínculo único y enlace completo en la Teoría de

Grafos sugieren que las propiedades de conectividad y finalización pueden ser

utilizadas para definir métodos de agrupamiento. La idea es ver la secuencia de los

grafos threshold o los grafos de proximidad por la apariencia de la propiedad

adecuada. Hubert (1974) sugiere la siguiente expresión de algoritmos que definen

métodos de agrupamiento jerárquico. Vínculos en las proximidades pueden afectar

los agrupamientos en formas inesperadas, así que se asume que no hay vínculos en

la matriz de proximidad.

Nuevos algoritmos de agrupamiento jerárquico se forman cambiando el paso 2

en el algoritmo de vínculo único y enlace completo de la Teoría de Grafos. La función

Qp(k) es definido como sigue para todos los pares de grupos { Cmr, Cmt } en el

agrupamiento { Cm1,…, Cm(n – m) }

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62 

 

Qp(k) (r, t) = min { d(i,j) : el subgrafo máximo de G[d(i, j)] definidos por

Cmr ∪ Cmt conectado y cualquiera tiene la propiedad p(k) o está completo}

Siguiendo el algoritmo Cmp y Cmq son fusionados para formar el siguiente

agrupamiento en la secuencia si, ver ecuación (51):

Qp(k) (p, q) = min { Qp(k) (r, t) } (51)

Algunos ejemplos de la propiedad p se muestran a continuación. El entero k

es un parámetro, por ejemplo, p(k) podría significar una conexión de nodos k o un

grado de nodos k.

Conectividad de Nodos. Los nodos de un subgrafo conectado es el número más

largo nc tal que todos los pares de nodos están unidos por al menos nc caminos sin

tener nodos en común.

Conectividad de bordes. De un subgrafo conectado es el entero más largo ne tal

que todos los pares de nodos están unidos por al menos ne caminos sin tener nodos

en común.

Grado de nodos. El grado de un subgrafo conectado es el entero más largo nd tal

que cada nodo tiene al menos nd bordes incidentes.

Diámetro. El diámetro de un subgrafo conectado es la máxima “distancia” entre dos

nodos en el subgrafo. La distancia entre dos nodos es el número de bordes en el

camino más corto uniéndolos.

Radio. El radio de un nodo conectado es el entero más pequeño nr tal que al menos

un nodo está dentro de la distancia nr de todos los otros nodos en el subgrafo.

Jain & Dubes (1988), encontraron que especificando el parámetro k la

propiedad p se define un nuevo método de agrupamiento. Cada grupo debe al

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63 

 

menos estar conectado. Una vez que todos los bordes han sido insertados dentro del

subgrafo, está completo y otras propiedades pueden aplicarse. Por ejemplo, una

conectividad de k nodos implica una conectividad de k bordes, pero a la inversa no

es verdad. De forma similar, una conectividad de k bordes implica un grado mínimo

de k, pero a la inversa no se mantiene. Una razón fascinante debe aparecer antes de

que uno de estos métodos sea utilizado en lugar del vínculo único, el enlace

completo u otro SAHN algoritmo.

A continuación se demuestran métodos de agrupamiento jerárquico definidos

por propiedades de grafos. En la Figura 9 se muestra una matriz de proximidad

ordinal está dada con 8 objetos.

Figura 9 Matriz de proximidad con 8 objetos (Jain & Dubes, 1988, p. 87)

En la Figura 10 y 10a se muestran ejemplos de dendrogramas de la Teoría de

Grafos: (a) grafo threshold G(13) para una matriz de proximidad; (b) vínculo único; (c)

enlace completo; (d) 2 nodos conectados; (c) 2 bordes conectados; (f) 2 grados; (g) 2

diámetros; (h) 2 radios.

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64 

 

Figura10 Matriz de proximidad, vínculo único, enlace completo y 2 nodos conectados

(Jain & Dubes, 1988, p. 88)

Figura 10a Grados, diámetros y radios (Jain & Dubes, 1988, p. 89)

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65 

 

2.3.11. Agrupamiento particional

Técnicas de agrupamiento jerárquico organizan los datos dentro de secuencias de

grupos anidadas. Una característica importante de estos métodos es el impacto

visual del dendrograma, el cual posibilita el análisis de datos para ver cómo los

objetos están siendo fusionados dentro de grupos o divididos en sucesivos niveles de

proximidad. El análisis de datos puede tratar de decidir entonces si todo el

dendrograma describe los datos puede seleccionar un agrupamiento, a un nivel fijo

de proximidad (Jain & Dubes, 1988).

Los métodos de agrupamiento no jerárquico son referidos como métodos de

agrupamiento particional. Generan una sola partición de los datos en un intento por

recuperar grupos naturales presentes en los datos. Ambas estrategias de

agrupamiento tienen sus propios dominios de aplicaciones (Jain & Dubes, 1988).

Jain & Dubes (1988), mencionan que los métodos jerárquicos generalmente

requieren sólo de una matriz de proximidad entre los objetos, mientras que técnicas

de partición esperan los datos en la forma de una matriz de patrones. Generalmente

se asume que las características han sido medidas en una escala de radio.

Las técnicas jerárquicas son populares en ciencias biológicas, sociales y de la

conducta por la necesidad de construir taxonomías. Las técnicas particionales son

utilizadas frecuentemente en aplicaciones de ingeniería donde particiones

individuales son importantes. Los métodos de agrupamiento particional son

especialmente apropiados para la eficiente representación y comprensión de grandes

bases de datos. Los dendrogramas son poco prácticos con poco más de 100

patrones (Jain & Dubes, 1988).

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66 

 

2.3.11.1. Algoritmo de agrupamiento del vecino más cercano

Paso 1. Establecer i ← 1 y k ← 1

Paso 2. Establecer i ← i + 1. Encontrar al vecino más cercano de xi de entre los

patrones ya asignados a grupos. Dejar dm denotar la distancia de xi a su vecino más

cercano. Suponer que el vecino más cercano es un grupo está en el grupo m.

Paso 3. Si dm ≤ t entonces se asigna xi a Cm . De otra forma, establecer k ← k + 1 y

asignar xi al nuevo grupo Ck

Paso 4. Si cada patrón ha sido asignado a un grupo, detenerse. Si no, ir al paso 2.

2.3.11.2. Algoritmo de agrupamiento de vecindario mutuo Paso 1. Determinar los k vecinos cercanos de cada patrón

Paso 2. Computar el Valor Mutuo de Vecindario (VMV) para cada par de patrones. Si

los patrones xi y xj no son vecinos mutuos para un valor dado de k, establecer VMV

(xj, xj) a un número arbitrariamente largo.

Paso 3. Identificar todos los pares de patrones con VMV de 2. Fusionar cada par

dentro de un grupo, iniciando con el par que tenga la distancia más pequeña.

Repetir el paso 3 para thresholds VMV de 3,4,…, 2k para generar una jerarquía.

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67 

 

El parámetro k controla la profundidad del vecindario siendo esencial para el

desarrollo del algoritmo. Valores pequeños de k dan varios grupos “fuertes” valores

largos de k dan pocos grupos “débiles”. De hecho, k puede ser siempre

suficientemente largo para hacer al algoritmo devolver un solo grupo. Se demostró

que el algoritmo es capaz de identificar grupos con poblaciones desiguales.

2.3.12. Algoritmos de agrupamiento difuso

En términos técnicos, agrupamiento difuso puede ser descrito como el problema de

determinar el conjunto difuso al que pertenece el punto de datos k en el grupo i. El

número total de punto de datos puede ser denotado por n, y una a principalmente

especifica el número de grupos que pueden ser denotados por c (Hamerly & Elkan,

2002).

Los algoritmos de agrupamiento descritos asignan cada patrón a un solo

grupo. Los patrones son divididos dentro de conjuntos disjuntos; patrones en grupo

se supone que son más parecidos unos con otros que los patrones que están en

grupos diferentes. Si están separados no hay incertidumbre o ambigüedad asociada

con la asignación de cada patrón a un grupo. En la Figura 11 se aprecia la diferencia

entre un grupo con límites bien definidos y otro donde la asignación de patrones a los

grupos se dificulta (Jain & Dubes, 1988).

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68 

 

Figura 11 Grupos o clusters con límites (a) bien definidos y (b) sin definir (Jain &

Dubes, 1988, p. 130).

Jain & Dubes (1988), explica que la teoría de conjuntos difusos desarrollada

por Zadeh (1965) expresa que un objeto pertenece a un grupo a través de un grado

de pertenencia, este grado toma valores entre 0 y 1. De esta forma 1 indica que el

patrón u objeto pertenece al grupo y el 0 que no. Con grupos difusos, el patrón tiene

un grado de pertenencia denotado por ƒq(xi) ≥ 0, o denotado por el q-ésimo grupo

donde, ver ecuación (52):

(52)

A continuación se muestran los pasos en un algoritmo de agrupamiento difuso

particional.

1)( =∑ iqq

xf

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69 

 

Algoritmo de Agrupamiento Difuso Particional

Paso 1. Seleccionar una partición inicial { }1=kk KC

Repetir pasos del 2 al 4 hasta que las pertenencias al grupo se estabilicen.

Paso 2. Computar las funciones de pertenencia { })( jCk xf

Paso 3. Computar la función de criterio fΦ

Paso 4. Reclasificar patrones para mejorarlos fΦ

La salida de un algoritmo difuso sólo incluye una partición pero también

información en forma de valores de pertenencia que debe ser interpretada por el

analizador de datos. Se puede interpretar también que el grado de pertenencia mide

la compatibilidad de un patrón o un objeto con la descripción de un conjunto difuso

(Jain & Dubes, 1988).

Las técnicas difusas imponen una estructura particular en los datos y el

propósito del análisis por grupos es revelar dicha estructura o “patrón” en largas

cantidades de datos numéricos. Se debe enfatizar que la diferencia entre un

algoritmo y un método de agrupamiento radica en que el algoritmo es un modo

particular de implementar el método (Jain & Dubes, 1988).

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70 

 

2.3.12.1. Fuzzy K-means

Una tarea importante en el reconocimiento de patrones y las máquinas de

aprendizaje es el agrupamiento de datos (data clustering), algoritmos difusos como el

K-means (Fuzzy K-means, sus siglas FKM) permiten manejar datos espaciales

donde su objetivo es encontrar agrupamientos naturales en los datos, partiéndolos

en conjuntos k, llamados centros y ubicando cada uno de ellos al centro de los datos,

para los cuales se considera como su centro más cercano. Ver ecuación (53)

(Hamerly & Elkan, 2002).

(53)

Donde:

uij = grupo de datos χi

cj = centro

r ≥ 1 entre más grande es r más difuso es

El algoritmo FKM, llamado también C-means, es una adaptación donde a

diferencia de su antecesor K-means en el cual cada dato pertenece sólo a un grupo y

se identifica como 1 en la matriz de pertenencia u, éste permite que cada punto de

datos pertenezca parcialmente a más de un grupo. Otra diferencia con su antecesor

radica en la forma de actualizar los centroides o grupos (Yen & Langari, 1999).

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71 

 

La pertenencia de los datos a cada centroide se calcula utilizando la siguiente

ecuación

(54)

Una vez que se calcula los grados de pertenencia de cada valor de la matriz de

datos a cada centroide, se debe actualizar el valor de los centroides, para lo que se

aplica la siguiente ecuación (55) (Yen & Langari, 1999):

(55)

Existe otra variante del algoritmo FKM llamado K-harmonic means o por sus

siglas KHM con un método similar al K-means estándar donde la función objetivo

utiliza la distancia media armónica de cada punto de datos, arrojando un puntaje

menor cuando éstos se aproximan a un centro, función propia del FHM. Este

algoritmo muestra superioridad al encontrar agrupamientos de mejor calidad, sin

embargo, junto con el FKM son considerados dentro de los mejores al utilizar

métodos de partición aleatorios para encontrar mejores agrupamientos o clusterings

(Hamerly & Elkan, 2002)..

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72 

 

2.3.13. Sistemas de Información Geográfica (SIG)

Un Sistema de Información Geográfica (SIG) es un programa informático que permite

gestionar y analizar principalmente datos espaciales. Una de las características

principales de los SIG es que permiten trabajar con mapas, llevando a cabo el

análisis espacial, utilizando los datos espaciales y sus atributos almacenados en el

mismo sistema, permitiendo obtener nuevos mapas de una única fuente de datos. La

aplicación de los SIG depende de cualquier proceso que requiera información

espacial, ejemplos de su utilización son en gestión catastral y de propiedad urbana,

el medio ambiente, planificación urbana y el control de grandes redes como:

telecomunicaciones, gas, agua, electricidad, etc. Aunque su uso se ha extendido al

manejo de negocios, arqueología, análisis histórico, epidemiología y criminología; es

decir, cualquier campo científico, técnico o empresarial en el que se trabaje con

datos espaciales (Ordóñes & Martínez-Alegría, 2003).

El manejo de un SIG es muy sencillo lo que ocasiona que usuarios sin

conocimientos sobre los datos geográficos y funciones de análisis que incluye el

sistema, generen resultados aparentemente correctos pero con nulo valor científico o

técnico. Dentro de los SIG el más utilizado es el sistema IDRISI32 debido a la

variedad de funciones que incluye para análisis de problemas relacionados con el

medio ambiente (Ordóñes & Martínez-Alegría, 2003).

Un SIG está compuesto por módulos que realizan diferentes operaciones y para

ser considerados SIG deben cumplir con ciertos componentes y capacidades

mínimas. Los componentes esenciales son: una base de datos para almacenar los

datos geográficos y sus atributos, un sistema gestor de base de datos, un sistema de

representación cartográfica y un sistema de análisis espacial; otros incluyen un

sistema de tratamiento de imágenes y de análisis estadístico. Todos estos

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73 

 

componentes son más completos y avanzados en unos sistemas que en otros, se

describen a groso modo a continuación (Ordóñes & Martínez-Alegría, 2003).

a) Bases de datos espacial o temática: es donde se almacenan de forma

estructurada, los objetos cartográficos (su posición, tamaño y forma) y sus

características no geométricas (atributos), respectivamente. Por ejemplo, un mapa

parcelario (forma y situación de parcelas) estaría en una base de datos geográfica y

la información del propietario, tipo de uso y otros, estaría en la base de datos

temática (Ordóñes & Martínez-Alegría, 2003).

b) Sistema Gestor de Bases de Datos (DBMS): considerado como un software

utilizado para manejar y analizar los datos almacenados en la base. De estos

sistemas se pueden almacenar datos en tablas, establecer relaciones entre ellos y

crear nuevas tablas con los resultados obtenidos, mismos que se pueden relacionar

con la base de datos espacial y representar mapas temáticos (Ordóñes & Martínez-

Alegría, 2003).

c) Sistema de digitalización de mapas: los datos que conforman la base de

datos del SIG son mapas, fotografías o imágenes que para ser cargados en la base

de datos del SIG es necesario convertirlos en formato digital con programas de

digitalización y de conversión de formatos (Ordóñes & Martínez-Alegría, 2003).

d) Sistema de representación cartográfica: permite dibujar mapas a partir de

los elementos seleccionados de las bases de datos, hacer distintas composiciones

cartográficas así como enviar estos mapas a los dispositivos de salida, como

impresoras o plotters. Los mapas son los medios más utilizados para representar los

resultados de los análisis realizados en un SIG (Ordóñes & Martínez-Alegría, 2003).

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74 

 

En conclusión un SIG permite colectar, almacenar, actualizar, modificar,

analizar y mostrar o presentar de manera eficiente información geo-referenciada.

2.3.14. Imágenes

Desde el principio de la ciencia, la observación visual ha jugado un rol principal, la

única manera en que se documentaban los resultados de un experimento era por

descripción verbal y dibujos manuales. El siguiente paso fue la invención de la

fotografía lo cual permitió que los resultados fueran documentados objetivamente

(Jähne, 2001).

Tres prominentes ejemplos de aplicaciones científicas de la fotografía son la

astronomía, fotogrametría, y partículas físicas. Los astrónomos fueron capaces de

medir las posiciones y magnitudes de las estrellas; y los fotógramos produjeron

mapas topográficos desde imágenes de antena. La búsqueda a través de incontables

imágenes desde cámaras de burbujas de hidrógeno llevó al descubrimiento de

muchas partículas elementales en física. Estos procedimientos de evaluación

manual, consumían tiempo. Sin embargo, fueron adaptados a un propósito en

específico porque la evaluación cuantitativa de imágenes no encontró muy difundida

la aplicación en aquel tiempo. Generalmente, las imágenes fueron sólo utilizadas

para documentación, descripción cualitativa e ilustración del fenómeno observado

(Jähne, 2001).

Alrededor del año 2002, se dio una segunda revolución alumbrada por el rápido

progreso en video y tecnología computacional. Las computadoras personales y

estaciones de trabajo se volvieron lo suficientemente poderosas para procesar

imágenes de datos. Como resultado, el software multimedia y el hardware se

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75 

 

volvieron un estándar para el manejo de imágenes, secuencias de imagen e incluso

visualización en tercera dimensión (3D). La tecnología está ahora disponible a

cualquier científico o ingeniero. En consecuencia, el procesamiento de imágenes se

ha expandido y ha pasado de aplicaciones especializadas a herramientas científicas

estándar. Las técnicas de procesamiento son aplicadas virtualmente a todas las

ciencias naturales y disciplinas técnicas (Jähne, 2001).

Según Jähne (2001), un ejemplo simple claramente demuestra el poder de la

información visual. Suponer que se tuvo la tarea de escribir un artículo acerca de un

nuevo sistema técnico, por ejemplo un nuevo tipo de planta solar. Podría tomar un

gran esfuerzo describir el sistema si no pudiera incluir las imágenes y dibujos

técnicos. El lector tendría una experiencia frustrante, gastaría mucho tiempo tratando

de adivinar cómo trabaja la nueva planta de poder solar y quizá termine con una

imagen equivocada o limitada de cómo es.

Jähne (2001) menciona que los dibujos técnicos y fotografías de la planta solar

serían de gran ayuda para los lectores del artículo ya que inmediatamente tendrían la

idea de la planta y podrían estudiar detalles en los dibujos y fotografías las cuales no

fueron descritas en el texto, pero captaron su atención. Información visual provee

más detalles, un hecho que se puede resumir en el dicho “una imagen vale más que

mil palabras”. Otra observación de interés. Si el lector después escucha de la nueva

planta podría fácilmente recordar cómo es y asociar instantáneamente el objeto

“planta solar” con una imagen.

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76 

 

2.3.14.1. Descripción y procesamiento de Imágenes satelitales

Con el avance de la ciencia obtener información en algunos campos de la

investigación, en la actualidad, no requiere la presencia física del hombre. La

invención y uso de satélites en la aplicación de procesos permite que sea una tarea

sencilla y los resultados sean instantáneos (Rodríguez y Arredondo, 2005).

El proceso para obtener una imagen satelital se puede comparar con imágenes

fotográficas, porque la técnica es conocida. La obtención de una fotografía se basa

en la impresión de un objeto sobre una película sensible a la luz con el apoyo de un

sistema óptico para control de condiciones de exposición. Necesita la existencia de

una fuente de energía externa para que tenga buena calidad, usualmente el sol.

Entre el objeto y la cámara está la atmósfera, a mayor distancia entre ambos menor

claridad o nitidez, para lo cual ya se cuenta con los elementos más importantes de un

sistema de teledetección: objeto, fuente de energía, sensor, plataforma, sistema de

transmisión-recepción y como usuario en el caso de los sensores remotos se

sustituye la cámara por el término sensor el cual detecta la reflexión de luz solar e

incluso el calor y hasta puede generar su propio haz de energía. Se conoce como

sensor remoto al arte de obtener información acerca de un objeto, área o fenómeno a

través del análisis de datos proporcionados por sensores que no están en contacto

directo con ellos (Rodríguez y Arredondo, 2005).

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77 

 

2.3.15. La Teledetección

Mencionan Rodríguez y Arredondo (2005), que la teledetección es una de las

técnicas mejor desarrolladas para facilitar la comprensión acerca de las propiedades

y comportamiento de la naturaleza. Esta técnica ha mejorado de forma progresiva,

iniciando con fotografías aéreas desde un globo (1859), desde un avión (1909) y en

la Segunda Guerra Mundial se desarrollan las cámaras de reconocimiento; asimismo

sensores como el radar y los sistemas de comunicación aplicados en la exploración y

control de los recursos naturales. Exploraciones del planeta inician en 1957 con el

lanzamiento del satélite soviético Sputnik, posteriormente en 1960 la NASA lleva a

cabo misiones de observación meteorológica poniendo en órbita el satélite TYRUS.

Con el interés de la comunidad científica en este ámbito, en Julio de 1972 se dispone

del Landsat primer satélite de la serie ERTS (Earth Resources Technology Satellite),

luego siguieron otra serie de proyectos como SPOT de origen francés, MOS1,

MODIS (Resolución Moderada de Imágenes Espectroradiométricas), entre otros.

Rodríguez y Arredondo (2005), encontraron que la teledetección es un conjunto

de conocimientos y técnicas utilizados para determinar características físicas y

biológicas de objetos a través de datos adquiridos por un sensor que no está en

contacto directo con el objeto de investigación; los sensores remotos pueden captar

la radiación electromagnética reflejada o emitida por la superficie de la tierra, usan

mediciones del espectro electromagnético con el fin de caracterizar el paisaje. Con el

tiempo se ha logrado ampliar el rango de obtención de información, de esta forma se

encuentran sensores de tipo térmico (obtienen la temperatura terresrtre) y medidores

de microondas (lectura de humedad local).

Rodríguez y Arredondo (2005), nos dicen que la teledetección espacial se

puede definir como la técnica que permite adquirir imágenes de la superficie terrestre

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78 

 

desde sensores instalados en plataformas espaciales, la adquisición resultado de

una interacción energética entre la tierra y el sensor remoto ya sea por reflexión de la

energía solar o un haz de energía artificial y la recepción transmitida a la tierra para

su aplicación.

Los sensores permiten distinguir escalas de observación local y global,

proporcionan información de la superficie de la tierra, vegetación, altimetría y uso de

la tierra, que combinado con mapas digitales del suelo incluso permiten obtener

estimaciones de la capacidad de almacenamiento en un sistema de presa. El

incremento de sensores genera una gran cantidad de información valiosa, porque su

aplicación es diversa (Rodríguez y Arredondo, 2005).

Rodríguez y Arredondo (2005), nos explican que se encuentran sensores en los

satélites Landsat para adquirir imágenes; el MSS (escáner multiespectral o

multiespectral scanner) que ofrece información sobre cuatro bandas del espectro, el

TM (mapeo termático o thermatic mapper) que ofrece 7 bandas del espectro y el

satélite francés SPOT que permite dos modalidades de observación: multibanda de 3

canales con resolución de 20x20m y pancromático con una resolución de 10x10m.

Las plataformas geoestacionarias localizadas a 36000 Km. de la tierra proporcionan

una imagen completa del planeta.

Rodríguez y Arredondo (2005), además mencionan que los sistemas de

teledetección espacial están constituidos por:

1. Fuente de energía. Creador de energía detectado por el sensor puede ser un

actor externo (teledetección pasiva) o emitida por el propio sensor

(teledetección activa). El sol es la más importante fuente de energía.

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79 

 

2. Cubierta terrestre. Formada por vegetación, agua, construcciones o suelo que

reflejan energía generada por la fuente, dependiente de sus características

propias.

3. Sistema sensor. Compuesto por el sensor y la plataforma que lo conforma.

Capta la energía procedente de la cubierta terrestre y la envía a la base de

recepción.

4. Sistema de recepción. Es donde se recibe la información del sensor y se

graba en un formato adecuado y posteriormente se distribuye a los usuarios.

5. Intérprete. Encargado de analizar la información, en forma de imágenes

satelitales determinando su temática.

6. Usuario final. Encargado de analizar el documento resultado de la

interpretación de resultados.

En cualquier sistema de teledetección deben existir un sensor, objeto y flujo

energético, responsable este último de la interacción entre los objetos. La forma de

adquirir información puede ser por reflexión, por emisión y por emisión-reflexión. El

flujo energético entre la cubierta terrestre y el sensor remoto constituye una forma de

radiación electromagnética, este fenómeno interactúa en los procesos de

teledetección, científicamente el fenómeno se ha descrito desde dos teorías

contrapuestas una, determinada como un haz ondulatorio, y la otra concebida como

una sucesión de unidades discretas de energía con masa igual a cero, las dos

teorías se complementan gracias a que la luz se comporta de acuerdo a ambos

planteamientos (Rodríguez y Arredondo, 2005).

Según la física, la energía electromagnética se transmite de un lugar a otro con

la trayectoria de un modelo armónico, a la velocidad de la luz y conteniendo dos

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80 

 

campos de fuerzas ortogonales entre sí que son eléctricos y magnéticos (Rodríguez

y Arredondo, 2005).

Aplicaciones de la teledetección que mencionan (Rodríguez y Arredondo, 2005)

son, entre otras:

1. Estudio de erosión de playas y arenales

2. Cartografía geológica para explosión petrolífera

3. Cartografía de nuevos depósitos volcánicos

4. Control de movimiento de Iceberg en zonas polares

5. Inventarios del agua superficial

6. Verificar la salinidad en corrientes de agua

7. Cartografía de la cobertura vegetal del suelo

8. Rápida evaluación de condiciones de estrés en la vegetación, por efectos de

la sequía o erosión.

9. Control de pastizales

10. Cartografía e inventario de cultivos por especies

Rodríguez y Arredondo (2005), concluyen que los países desarrollados adquieren

información digital de los satélites, la cual es interpretada por Sistemas de

Información Geográfica (SIG) diseñados para su procesamiento mediante una

modelación. Estos sistemas permiten solucionar y manejar problemas de mayor

complejidad y con eficiencia es por esto que se han convertido de vital importancia

para el análisis, planeamiento y administración de los recursos naturales.

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81 

 

2.3.16. La enfermedad

También conocido como trancazo, el dengue es una infección causada por un virus

de la familia Flaviviridae que con base a criterios clínicos, biológicos, inmunológicos y

moleculares ha sido agrupado en 4 serotipos distintos (Denv-1, Denv-2, Denv-3 y

Denv-4). El Dengue es transmitido de una persona enferma a una susceptible a

través de la picadura de mosquitos hematófagos conocidos como Aedes aegypti,

principalmente, aunque también existe otro vector que es el A. albopictus. Originario

probablemente del Continente Africano, al mosquito Aedes aegypti, se le conocen

tres variantes principales. A. aegypti var. Tipo, A. aegypti ssp. formosus y A. aegypti

var. queenslandensis; de las cuales la variante tipo A es la más distribuida en el

mundo, en trópicos y zonas subtropicales aunque tiene una preferencia doméstica en

su ciclo de vida también se le encuentra en zonas rurales (CONAVE y SSA, 2007).

CONAVE y SSA (2007), demostraron que se distribuye en forma permanente

entre los 35° de latitud norte y 35° de latitud sur pero puede extenderse hasta los 45°

norte y hasta los 40° sur, donde coinciden con una sotermia de 10 °C en verano, la

altitud promedio en donde se encuentra es por debajo de los 1,200 metros, aunque

se ha registrado alturas de alrededor de los 2,400 metros sobre el nivel del mar en

África. En América la mayor altitud registrada corresponde a Colombia, con 2,200

metros y en México se encuentra registrado hasta los 1,700 metros.

Sus condiciones mínimas de sobrevivencia y su resistencia a diferentes

eventos adversos, como la desecación y la inanición, lo hace un mosquito de

presencia muy común y continua, así como de elevadas densidades poblacionales

durante las épocas lluviosas con temperatura y humedad estables (CONAVE y SSA,

2007).

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82 

 

En la mayor parte del territorio nacional se ha detectado la circulación de tres

serotipos de los ya mencionados que aumentan el riesgo de presentación de formas

hemorrágicas. A continuación se presentan en la Tabla 1 los porcentajes de los

serotipos circulantes en México y en la Tabla 2 su distribución geográfica (CONAVE

y SSA, 2007).

TABLA 1

PORCENTAJE DE SEROTIPOS CIRCULANTES EN MÉXICO (CONAVE y

SSA, 2007).

AÑO DENV-1 DENV-2 DENV-3 DENV-4

1997 6.5 1.6 88.3 3.6

1998 5 2 93 -

1999 3 13.4 81.7 1.

2000 0.7 55.2 44.1 -

2001 - 75 25 -

2002 0.7 65.6 33.7 -

2003 81.43 17.14 1.43

2004 5.26 84.21 6.77 3.76

2005 14 77 8 1

2006 53 8 27 12

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83 

 

TABLA 2

SEROTIPOS CIRCULANTES EN MÉXICO

1997 – 2006 (CONAVE y SSA, 2007).

AÑO DENV-1 DENV-2 DENV-3 DENV-4

1997 Campeche Coahuila,

Michoacán, Morelia,

SLP, Tamaulipas y

Veracruz.

Camp, Coah, Col,

Chis, Gro,

Jal, Hgo, Nay, NL,

Mor,

Oax, Pue, Q. Roo

SLP,

Tamps, Ver y Yuc.

Camp, Nay y

Tamps.

1998 Tamaulipas

Tamaulipas

Hgo, Mor, N.L. Oax,

SLP, Tamps y Ver.

1999 Coah, NL, Pue, Son

y Tamps. Coah, Chis, Mor,

Oax y Tamps. Coah, Chis, Hgo,

Jal, Mor, NL, Pue,

SLP, Son, Tamps y

Ver.

Hgo, Tamps y Ver.

2000 NL Camp, Chis, Oax,

Tab, Tamps y Ver. Camp,Chis, Mex,

Pue, Son, Tab,

Tamps y Ver.

2001 Camp, Chis, Gro,

Mor, Oax, Pue, Sin,

Ver y Yuc.

Chis, Mex, Mich,

Pue y Sin.

2002 Yuc. Camp, Chis, Gro,

Hgo, Jal, Mich, Mor,

Nay, NL, Oax, Sin,

Son, Tab, Tamps,

Ver y Yuc.

Chis, Hgo, Mor,

Mich, Oax, Sin, Son,

Tab y Ver.

2003 B.C.S. Camp. Dgo,

Hgo. Mor. Nay. N.L.

Oax. Pue. Sin. Son.

Tab. y Ver.

B.C.S., Mor, Oax,

Sin, Son y Tab. Sonora

2004 Chis y Oax. Camp, Col. Chis,

Gro, Hgo, Jal, Méx.

Mich, Mor, NL, Oax,

Q.Roo, S.L.P. Sin,

Tab, Tamps, y Ver.

Nay., Oax., Q.Roo y

Ver. Camp. Chis. Oax.

Son y Tab.

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84 

 

2005 Cam, Col, Chis, Gro,

Mor, Oax, Q. Roo,

SLP, Tamps y Yuc.

Cam, Coah, Hgo,

Mex, Nay, NL, Pue,

Sin, Tab, Ver, Col,

Chis, Gro, Mor, Oax,

Q. Roo, SLP, Tamps

y Yuc.

Chis, NL, Oax, Q.

Roo, Sin, Tab y Ver. Col, Chis y Oax.

2006 Camp, Col, Chis,

DF, Gro, Jal, Mor,

Nay, Oax, Pue,

Queret, Q. Roo,

SLP, Sin, Son, Tab,

Ver y Yuc

Col, Gro, Hgo, Mich,

Mor, Oax, Pue, SLP,

Tab, Ver y Yuc.

Col, DF, Mor, Nay,

Oax, Pue, Q. Roo,

Ver y Yuc.

Camp, Col, Q.Roo,

Son y Tab.

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85 

 

Según (CONAVE y SSA, 2007) los estados en México con mayor tasa promedio de

casos de Fiebre Hemorrágica por Dengue del año 2000 al 2006 fueron: Colima con

23.16 casos por 100 mil habitantes, seguido en orden decreciente por los estados de

Baja California Sur (14.02), Quintana Roo (10.51), Guerrero (10.04), Tamaulipas

(8.58) y Veracruz (8.02). Siendo el grupo más afectado de 10 a 14 años de edad, con

36.3% del total de casos, seguido por el de 15 a 19 (34.2%) y por el de 25 a 44 años

(33.3%). Estos datos se presentan en la Figura 12.

Figura 12 Estados con mayor incidencia de Fiebre Hemorrágica por Dengue,

2000-2006 (CONAVE y SSA, 2007).

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86 

 

Las instituciones del sistema local involucradas en la atención y notificación de

casos de fiebre por dengue y fiebre hemorrágica por dengue se muestran en la

Figura13 con el porcentaje respectivo de notificación de casos del año 2000 al 2006

(CONAVE y SSA, 2007).

Casos de FHD por fuente de notificación, 2000-2006

Figura 13 Casos de FHD por fuente de notificación, 2000-2006 (CONAVE y

SSA, 2007).

Espinoza (2002), menciona que la enfermedad se transmite de una persona a

otra por medio de la picadura del mosquito Aedes aegypti, presentando fiebre, dolor

de hueso o hemorragias y causando incluso, la muerte. Es de importancia saber que

la propagación del virus del dengue a nivel mundial, se favorece por factores como el

crecimiento demográfico, la insuficiencia de agua, viviendas en estado deficiente,

descuido de sitios públicos, el mal manejo de desechos e incremento de botellas de

plástico y otros recipientes como llantas, así como deficiencias en la higiene o

saneamiento ambiental.

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87 

 

CAPÍTULO 3. Desarrollo

3.1. Modelo de proceso de Software

Pressman (1998), menciona que un modelo de proceso o también llamado

paradigma de ingeniería de software, es aquél que un equipo de trabajo toma como

estrategia para ayudar a resolver conflictos reales en una empresa, se selecciona de

acuerdo a las características del proyecto y la aplicación a desarrollar. Para

Pressman (1988) el desarrollo del software se divide en 4 partes:

1. Status quo: estado actual de eventos

2. Definición de problemas: identificación del problema en específico a resolver

3. Desarrollo técnico: aplicar alguna tecnología para resolver el problema

4. Integración de soluciones: resultados

3.1.1. Modelo de construcción de prototipos

Existen varios modelos de proceso de software como: modelo lineal secuencial

también llamado modelo en cascada, modelos de construcción de prototipos,

modelos de Desarrollo Rápido de Aplicaciones (DRA), modelos evolutivos, métodos

formales, entro otros. Para el desarrollo del SIDAIS se ha considerado el modelo de

construcción de prototipos ya que de acuerdo con Pressman (1998) “el responsable

del desarrollo del software puede no estar seguro de la eficacia de un algoritmo, de la

capacidad de adaptación de un sistema operativo, o de la forma en que debería

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88 

 

tomarse la interacción hombre-máquina. En éstas y en otras muchas situaciones, un

paradigma de construcción de prototipos puede ofrecer el mejor enfoque” (p. 24).

El modelo consiste en definir de manera general los objetivos con los que debe

cumplir el sistema, realizar un diseño rápido y construir un prototipo, el cual será

utilizado y evaluado encontrando detalles a refinar hasta completar todos los

requisitos.

3.2. Modelo conceptual

El procesamiento de imágenes satelitales se basa primordialmente, en la aplicación

de un algoritmo difuso realizado en el lenguaje de programación Python, el cual abre

una imagen en formato .TIF (Tagged Image File, por sus siglas en inglés), la

segmenta por patrón de color, identifica -de acuerdo al patrón- vegetación, cuerpos

de agua o ambos; y finalmente devuelve como resultado de la segmentación una

imagen en formato .JPEG (Joint Photographic Experts Group, por sus siglas en

inglés). A continuación se describe su funcionamiento:

Al ejecutar el algoritmo difuso, primero se carga una imagen satelital de un área del

Estado de Colima, de la que se desea saber la probabilidad que existe, de que el

mosquito causante del dengue pueda reproducirse ahí. El formato de extensión de la

imagen es .TIF, como se menciona anteriormente. Ver Figura 14.

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89 

 

Figura 14 Cargar la imagen a procesar.

El algoritmo difuso, primeramente recorre la imagen para obtener la cantidad de

pixeles que en total la componen, así como definir su tamaño (altura y ancho), como

se muestra en la Figura 15.

Figura 15 Tamaño de la imagen satelital.

Utilizando una tabla de falso color para su mejor visualización, se asigna la

probabilidad de que el mosquito causante del dengue pueda reproducirse. Para llevar

a cabo la segmentación por patrón de color, se definen los colores por los que se

deben sustituir los colores verde y azul que son: amarillo y morado. El rojo se

recuerda es para cuando se encuentran juntos ambos. Ver Figura 16.

Figura 16 Patrones de color.

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90 

 

De esta manera el algoritmo utilizando reglas difusas, recorre la imagen completa,

pixel por pixel, comparando y agrupando por patrón de color. Este proceso se

muestra en la Figura 17. Si encuentra un pixel verde o un rango de verde, lo colorea

de amarillo lo que significa que ha encontrado vegetación. Si encuentra un pixel azul

o un rango de azul, lo colorea de morado indicando que ha encontrado cuerpos de

agua. Continuando con el proceso, si encuentra un pixel verde seguido de un azul los

colorea de rojo, indicando la presencia de vegetación y cuerpos de agua juntos.

Segmenta la imagen completamente hasta terminar. Ver Figura 17.

Figura 17 Segmentar imagen.

La imagen resultado de la segmentación, como se menciona con anterioridad, se

guarda en formato .JPEG (Joint Photographic Experts Group, por sus siglas en

inglés) y puede contener segmentos amarillos y/o morados, así como de color rojo.

Ver Figura 18.

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91 

 

Figura 18 Guardar resultado de la segmentación.

Cabe mencionar que la temperatura está definida como una constante de 28°, de

acuerdo a la temperatura que prevalece en nuestro estado la mayor parte del año.

A groso modo, el sistema con la información obtenida determinará las zonas que son

propicias para la reproducción del mosquito Aedes aegypti y posteriormente se

puede llevar a cabo un análisis acerca de la mejora en la toma de decisiones para la

prevención y control de esta plaga. El sistema en conjunto se muestra a

continuación. Ver Figura 19.

Figura 19 Modelo conceptual (Figura del planeta obtenida en Mayo de 2008 de

http://www.periodicoelpulso.com/images/abr06/debate/planeta.jpg.)

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92 

 

3.2.1. Interface del front-end

En este punto se detallan las ventanas de navegación así como los elementos a

través de las cuales el usuario podrá interactuar con el sistema.

El menú del sistema consta de los siguientes elementos u opciones a los cuales el

usuario puede ingresar y se encuentran siempre visibles:

Menú principal

- Botón Capturar imagen: permite obtener una imagen digital desde el disco duro,

esto es, la imagen se obtiene originalmente del sistema Google Earth se guarda con

formato JPEG para posteriormente cargarse al SIDAIS con esta opción del menú.

• Botón Segmentar imagen: una vez que se ha cargado la imagen el sistema

podrá clasificarla o segmentarla coloreando en verde las zonas con

vegetación y azul los cuerpos de agua existente en dicha imagen.

• Botón Guardar: permite guardar la imagen una vez que el sistema la

segmenta.

- Botón Introducir clima: una vez que la imagen fue clasificada se introducen los

parámetros del clima residente en la zona a la cual pertenece la imagen. Estos

parámetros son temperatura, precipitaciones, vientos, humedad y presión

atmosférica; todos ellos propios de un clima tropical.

• Botón Guardar: permite guardar los parámetros en la base de datos

Parametros.mdb (Access).

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93 

 

• Botón Cerrar: cierra la ventana activa.

- Analizar imagen: en este punto se compara la imagen determinando si pertenece

la zona a un clima propicio para el desarrollo del mosquito causante del dengue

hemorrágico.

• Botón Iniciar: realiza el proceso de comparación y devuelve un porcentaje de

riesgo en una ventana de mensaje.

- Resguardo: esta opción permite abrir o desplegar los datos de la base datos que

se encuentra en formato Access, con campos iniciales como fecha de captura o

fecha en que se lleva a cabo el procesamiento de la imagen, así como los

parámetros del clima presentes al momento y nombre de la imagen (zona o

municipio al que pertenece).

- Acerca de: contiene breve descripción del objetivo del sistema y versión.

- Salir: cierra la sesión en el sistema.

A continuación la Figura 20 muestra el diagrama de navegación de ventanas del

SIDAIS descrito con anterioridad.

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94 

 

Figura 20 Diagrama de navegación de ventanas del SIDAIS

3.2.2. Entorno de comunicación

Se utilizará una laptop para la ejecución del programa, obtención y resguardo de la

imagen procesada con las siguientes características:

Modelo: HP Pavilion dv2125

Procesador: Intel Core Duo

Disco Duro: 120 GB DD

Memoria RAM: 1 GB

Protocolo de comunicación: TCP-IP

Iniciar Análisis

 

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95 

 

3.2.3. Interface del back-end

El desarrollo del algoritmo difuso se realizará en Python 2.5, que a continuación a

groso modo se describe: es un lenguaje de programación fácil de aprender, además

de que maneja eficientes estructuras de datos tiene una extensa librería desde la que

podemos utilizar varias funciones, como por ejemplo la librería Python Image Library

(PIL) PIL-1.1.7.win32-py2.5, que se utiliza para la manipulación de imágenes; cuenta

también con una serie de módulos escritos en el mismo lenguaje o en lenguaje de

programación #C. Módulos de interfaces propios de Python o para sistemas

operativos específicos, como Unix. Módulos útiles para el desarrollo de aplicaciones

específicas como la WWW (World Wide Web). Python en su versión 2.5, posee una

licencia de código abierto; denominada Python Software Foundation License y nos

permite utilizarlo de forma gratuita; asimismo los enlaces a sus herramientas y a la

documentación, que se encuentran disponibles en su sitio web.

En resumen, se ha elegido el lenguaje de programación Python porque:

1. Es de Libre Uso,

2. Código simple y legible,

3. Cantidad de información y

4. Recursos económicos del programador y usuario.

Para el desarrollo de la interfaz del sistema se ha elegido el lenguaje de

programación Visual Basic 6.0, siendo posible en lo futuro ejecutar el algoritmo

desarrollado en Python desde Visual Basic a través de la ventana de comandos

MS-DOS. A continuación se listan otros aspectos que se consideraron para elegir

este lenguaje:

1. Experiencia

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96 

 

2. Aplicación

3. Interfaz

4. Cantidad de información y

5. Recursos económicos del programador y usuario

Gracias también a su facilidad de uso en el desarrollo de aplicaciones del entorno

Windows comúnmente conocido y el acceso a información almacenada en bases de

datos como Access.

3.2.4. Estructura de datos

En este punto, es importante resaltar que la estructura de datos se ha contemplado

implementarla como trabajo a futuro. El sistema consta, para almacenar o resguardar

la información resultado del análisis de la imagen, de una base de datos en Access

(.mdb). La base consta de los siguientes campos:

Id: Autonumérico

fecha: Almacena la fecha actual en la cual se procesa la imagen

Tipo: fecha (date)

hora: Almacena la hora en que se procesa la imagen

Tipo: Tiempo (Time)

nom_img: Almacena el nombre de la imagen

Tipo: Texto

temp: Almacena la temperatura

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97 

 

Tipo: numérico

hum: Almacena la humedad

Tipo: Numérico

precip: Almacena la cantidad de precipitaciones en la zona

Tipo: numérico

presatm: Almacena el dato de la presión atmosférica (medida en milibares)

Tipo. Numérico

viento: Almacena el tipo de viento

Tipo: Texto

observa: Almacena cualquier observación acerca del proceso o la imagen

Tipo: Memo

analisis: Almacena el resultado del análisis

Tipo: Memo

3.3. Diseño del Sistema

El diseño del sistema se compone de 4 módulos: Capturar imagen, Segmentar

imagen, Introducir clima y Resguardo, los cuales son ejecutados por medio de

eventos click con el ratón.

Módulo capturar imagen: Carga imagen a procesar desde el cual se puede hacer

un llamado al módulo Segmentar.

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98 

 

Módulo Segmentar imagen: Puede ser llamado dentro de Capturar imagen y su

propósito es segmentar la imagen para ubicar cuerpos de agua y vegetación de la

zona en la imagen a procesar.

Módulo Introducir clima: Puede ser llamado después de Segmentar una imagen.

Permite introducir variables del clima predominante en la zona de la imagen ya

procesada.

Módulo Resguardo: Permite desplegar los datos almacenados de cada imagen

procesada.

3.3.1 Arquitectura del sistema

La Arquitectura del sistema consta de una descripción del diseño y su contenido, así

como también de información del hardware y software que contiene, y si fuese

necesario información de la capacidad de la red.

Diagrama de casos de uso: descripción de las acciones del sistema desde el punto

de vista del usuario. El diagrama descrito se muestra en la Figura 21.

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99 

 

Figura 21 Diagrama de Casos de Uso

A continuación se muestra el diagrama de actividades, el cual describe la interacción

entre el usuario y el sistema, describiendo las actividades que realizan. Ver diagrama

en la Figura 22.

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100 

 

Figura 22 Diagrama de actividades

Selección de una imagen

Carga imagen seleccionada

Selección de Segmentar imagen

Carga imagen segmentada

Selección guardar imagen segmentada

Guarda imagen segmentada

Captura parámetros del clima

Validación de parámetros

Selección guardar parámetros Guarda parámetros

Selección Análisis de imagen

Desplegar resultado del análisis

Selección iniciar análisis

Inicia análisis

Selección Resguardo

Desplegar base de datos

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101 

 

3.3.2 Diseño de Interfaces

El diseño de interfaces se realizó con el programa de edición de imágenes Adobe

Photoshop 7.0.

Se consideró un diseño de menú simple ya que la mayor dificultad se encuentra

en el proceso interno que realiza el sistema para llevar a cabo la segmentación de la

imagen.

La navegación entre ventanas es sencilla ya que podría ser de mayor utilidad

para personas con perfil médico.

Las interfaces integran el sistema con un menú principal el cual contiene los

siguientes botones: Capturar imagen, Análisis, Resguardo, Acerca de… y Salir. Se

aplicaron degradados en color verde y blanco, así como la colocación de una imagen

del planeta tierra tomada de Periódico el Pulso (Obtenida en Mayo de 2008 de

http://www.periodicoelpulso.com/images/abr06/debate/planeta.jpg.)

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102 

 

SIDAIS

Sistema Difuso para el Análisis de Imágenes Satelitales

Diseño Menú Principal

Figura 23 Diseño Menú Principal

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103 

 

SIDAIS

Sistema Difuso para el Análisis de Imágenes Satelitales

Diseño Capturar imagen

Otra opción: Guardar y Segmentar imagen

Figura 24 Diseño Capturar Imagen

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104 

 

SIDAIS

Sistema Difuso para el Análisis de Imágenes Satelitales

Diseño Introducir clima, Resguardo y Salir

Figura 25 Diseño Introducir clima, Resguardo y Salir

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105 

 

SIDAIS

Sistema Difuso para el Análisis de Imágenes Satelitales

Diseño Acerca de

Figura 26 Diseño Acerca de

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106 

 

3.3.3. Diseño de la base de datos

Vista diseño y relaciones

Base de datos: resguardo.mdb

Tabla: Parametros

Figura 27 Vista diseño y relaciones de la base de datos

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107 

 

3.3.4. Especificación Formal

Pseudocódigo

Inicializar matriz de pertenencia (U)

iter = 0 ‘inicializa iteración

Repetir {Picard iteration}

iter = iter+1 ‘incrementa iteración

Calcular grupos o centroides iniciales (C)

Calcular distancia del dato al centro ||X-C||

U'=U

Actualizar matriz de pertenencia U

Hasta que ||U-U'|| <= tol_crit .or. iter = Max_iter

La matriz sea igual al total de criterios o la iteración llegue a su máximo

3.4. Implementación del Sistema

Es importante mencionar que para la implementación del sistema se debe integrar el

algoritmo, este proceso se llevará a cabo como trabajo a futuro. Sin embargo, a

continuación se describen las partes que han sido programadas y que serán parte

del sistema.

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108 

 

3.4.1. Programación de Módulos y Componentes

A continuación muestra un ejemplo del código por medio del cual se lleva a cabo el

registro de parámetros del clima en la base de datos llamada “Parametros” a través

del botón guardar en la ventana Introducir clima. Ver Figura 28.

Figura 28 Código del Módulo Resguardo

3.4.2. Implementación de Interfaces

A continuación se describe la implementación de todas las interfaces que componen

al sistema y que se encuentran desarrolladas en el lenguaje Visual Basic 6.

La ventana principal del SIDAIS compuesta por las siguientes herramientas del

Set Db = New ADODB.Connection 'Abre una nueva conexión Ado

Set Rs = New ADODB.Recordset 'Nuevo objeto recordset

Db.Open "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0; Data Source=" & App.Path & "\resguardo2.mdb;Persist Security Info=False"

Rs.Open "Select * FROM Parametros", Db, adOpenStatic, adLockPessimistic

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109 

 

cuadro de herramientas: 8 botones de comando o CommandButton, una herramienta

Image y un cuadro CommonDialog, éste último es visible a través del cuadro de

mensaje que aparece para cargar y guardar la imagen. El botón Guardar y

Segmentar imagen son visibles una vez que se carga la imagen a procesar (botón

Capturar imagen). En estado de ejecución la herramienta “Image” muestra la imagen

a procesar, así como el resultado una vez que se Segmenta. También, se muestra

parte del código del botón Capturar imagen. La ventana descrita anteriormente se

muestra en la Figura 29.

Figura 29 Ventana Capturar Imagen

Herramienta Image 

CommonDialog 

CommandButton 

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110 

 

La siguiente ventana se muestra cuando se da click en el botón Introducir clima,

compuesta por: 7 cuadros de texto o TextBox, 2 botones de comando o

CommandButton, un control DTPicker y una herramienta Timer para capturar la

fecha y hora en que se realiza el proceso, respectivamente. El botón Guardar

almacenará los datos del clima en la base de datos Parametros.mdb de Access. La

ventana descrita se muestra en la Figura 30.

Figura 30 Ventana Introducir clima

DTPicker

Timer 

CommandButton 

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111 

 

La ventana de Análisis se compone de 5 cajas de texto o TextBox para desplegar los

datos recientemente almacenados al ir al último registro a través del control Data y

un botón de comando o CommandButton para iniciar el análisis comparativo entre los

valores de referencia constantes y los capturados. Ver ventana en la Figura 31.

Figura 31 Ventana Análisis

CommandButton 

TextBox 

Control Data 

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112 

 

La ventana Resguardo despliega la información contenida en la base de datos por

registro, se compone de un control Data para manipular los registros de la base de

datos, 10 cajas de texto o TextBox que muestran la información del registro actual,

una herramienta Image para visualizar la imagen que fue segmentada y un botón de

comando o CommandButton que se encuentra deshabilitado ya que su programación

se encuentra considerado como una de las opciones de mejora al sistema. Ver

Figura 32.

Figura 32 Ventana Resguardo

CommandButton 

Herramienta Image

Control Data 

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113 

 

La ventana Acerca de … proporciona información general del sistema, aparece al dar

click en el botón del mismo nombre, se compone de una imagen diseñada en

Photoshop 7.0. Ver Figura 33.

Figura 33 Ventana Acerca de

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114 

 

CAPÍTULO 4. Pruebas y resultados

Las pruebas de software tienen como principal objetivo descubrir errores o defectos

en el sistema probando cada uno de sus componentes individualmente. Los

componentes pueden ser funciones u objetos. Además, las pruebas del software

deben convencer y demostrar a los desarrolladores del sistema y a los clientes de

que éste satisface sus requerimientos; y, descubrir todos los defectos posibles en el

software donde el comportamiento es incorrecto, no deseable o no cumple su

especificación (caídas del sistema o cálculos incorrectos) (Sommerville, 2005).

4.1. Pruebas de integración

Sommerville (2005) nos explica que este tipo de pruebas implica construir el sistema

a partir de sus componentes y probarlo para encontrar problemas debido a esta

integración. Los componentes pueden ser comerciales, reutilizables o que han sido

adaptados; así como componentes nuevos. En el sistema SIDAIS se comprobó que

los componentes funcionan juntos, que son llamados correctamente y transfieren los

datos correctos a través de sus interfaces.

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115 

 

4.2. Pruebas de congruencia

Tiene congruencia entre las operaciones u opciones que deben realizarse,

primeramente se debe cargar una imagen del área que se desee segmentar, en el

formato TIF (Tagged Image File, por sus siglas en inglés) especificado así en el

propio algoritmo. Como ejemplo, se tomó información del sistema Google Earth

donde se muestra una parte de la Bahía de Manzanillo, Colima. La imagen se

encuentra en formato TIF con un peso de 975 Kb, una resolución de 72 dpi y con una

altitud de la toma satelital de 5 KM. Ver Figura 34.

Figura 34. Bahía de Manzanillo, Colima. Formato TIF (Google Earth, 2010)

El algoritmo inicia después, el barrido de la imagen a través de un conjunto de reglas

que descartan aquellos puntos que no cumplan con el patrón especificado, es decir,

debe colorear aquellos pixeles que pertenezcan al grupo de la vegetación y/o

cuerpos de agua. A continuación se muestra el resultado de la segmentación,

recordando que el color amarillo es para resaltar la vegetación, el morado para

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116 

 

cuerpos de agua y el rojo cuando se encuentran ambos. El proceso se realizó en 48

segundos. La imagen tiene un peso de 107 Kb y 72 dpi de resolución. Ver Figura 35.

Figura 35. Bahía de Manzanillo, Colima. Formato JPG. Segmentación por patrones

de color. (Google Earth, 2010)

Cabe mencionar que la imagen original se convirtió al formato .JPG (Joint

Photographic Experts Group), y su calidad bajo de forma notoria a 129 Kb, sin

embargo conserva los 72 dpi de resolución. Ver Figura 36.

Figura 36. Bahía de Manzanillo, Colima. Formato JPG. (Google Earth, 2010)

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117 

 

Al aplicar el algoritmo el resultado es una imagen prácticamente con el mismo peso

106 Kb y conservó la resolución de 72 dpi. El proceso se realizó en 41 segundos. Ver

Figura 37.

Figura 37. Bahía de Manzanillo, Colima. Formato JPG. Resultado de la aplicación del

algoritmo. (Google Earth, 2010)

4.3. Pruebas de usabilidad

Una de las definiciones más representativas acerca de la usabilidad es planteada por

J. Nielsen proponiendo un modelo donde la usabilidad se ve reflejada principalmente

en la aceptación de un sistema por los usuarios al satisfacer sus necesidades y

requerimientos. El modelo es a su vez dividido en 5 atributos: facilidad de uso,

eficiencia, facilidad para recordar su funcionamiento, baja tasa de errores y

satisfacción del usuario (Usability in the Software Life Cycle, 2000).

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118 

 

Para efecto del algoritmo SIDAIS, las pruebas se hicieron bajo el método del

Protocolo de Pensamiento Manifestado (Dumas y Redish, 1999), en el cual los

participantes de manera individual realizaron las tareas del procesamiento y análisis

de imágenes, durante la prueba comentaron verbalmente sus impresiones del

software y después anotaron sus comentarios en un cuestionario, mostrado en el

Anexo I.

4.4. Resultado de la prueba de usabilidad

Para probar la usabilidad del programa desarrollado en esta tesis, se llevaron a cabo

estudios basados en el método "Think Aloud Protocol" (Rubin, 2008), en el cual cada

participante prueba e interactúa con el programa y reporta sus impresiones con

respecto a la efectividad, eficiencia y satisfacción de uso.

Se hizo una invitación abierta, solicitando el apoyo voluntario, de un equipo

multidisciplinario de 4 profesionales -Trabajo Social, Ingeniería en Sistemas, Lenguas

Extranjeras y Cirujano Dentista- cada uno con conocimientos así como un medio de

desenvolvimiento diferentes y cuya edad oscila entre los 23 y 55 años, para evaluar

de manera independiente el algoritmo difuso del sistema SIDAIS, aplicando de

manera informal un formato diseñado con 5 preguntas. Al equipo se le explicó el

objetivo que persigue el algoritmo, así como la forma en qué funciona, se les

proporcionó una imagen satelital como ejemplo para que fuera procesada, se les

pidió prestar atención al tiempo en que se lleva a cabo el proceso y finalmente iniciar

su ejecución.

Cada uno contestó libremente anotando sus comentarios en el formato de

usabilidad (ver Anexo I). El resultado de la evaluación del algoritmo SIDAIS, después

de unificar criterios, es el siguiente:

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119 

 

1. Facilidad de uso. Sí cumple, ya que por el momento cuenta solamente con una

pantalla en la interacción con el usuario y no será necesario la búsqueda de opciones

de menú, etc.

2. Eficiencia. Sí cumple, ha demostrado que realiza la segmentación de una imagen

proveniente del sistema Google Earth en menos de 1 minuto (ver Tabla 3).

3. Facilidad para recordar su funcionamiento. Sí cumple, sólo es necesario

especificar el nombre de la imagen a procesar, así como indicar en la última línea, el

nuevo nombre para la imagen procesada. Gracias a que el código de Python es

sencillo, es posible identificar fácilmente dónde se debe hacer dicho cambio.

4. Baja tasa de errores. Sí cumple, se procesaron imágenes en formato TIF y JPG

con eficiencia, sin embargo se recuerda que la segmentación no es perfecta ya que

segmenta áreas que no están consideradas. Existe para este caso un pequeño

margen de error.

5. Satisfacción del usuario. Sí cumple, el algoritmo opera de la forma en que al

principio se les explicó a los participantes satisfaciendo así sus expectativas.

En la tabla 3, se resume el tiempo en que el algoritmo procesa una imagen según las

características del equipo o hardware utilizado por cada participante, para completar

la prueba de usabilidad del algoritmo. De acuerdo a lo anterior, se puede observar

que el algoritmo tarda más tiempo en procesar una imagen dependiendo

primeramente de la velocidad del procesador. Y en segundo plano se encuentra la

cantidad de memoria RAM disponible.

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120 

 

TABLA 3

TIEMPO DE PROCESAMIENTO DE UNA IMAGEN POR EL ALGORITMO

DIFUSO SIDAIS.

PARTICIPANTE EQUIPO FORMATO DE IMAGEN

TIEMPO DE PROCESO

Licenciatura en

Trabajo Social

Dell PC Vostro 400,

procesador Intel Core 2 Duo

de 3 GHz, Win Vista, 3Gb

RAM y 688 HDD.

TIF

JPG

8 segundos

Médico Cirujano

Dentista

Laptop Compaq Presario,

procesador Intel Celeron

T3300 de 2Ghz, Win 7, 2Gb

RAM y 320Gb HDD.

TIF

JPG

20 segundos

Licenciatura en

Enseñanza de

Lenguas

Laptop HP Pavilion,

procesador Dual Core AMD

Turion X2 64 de 800 MHz,

Win Vista, 3Gb RAM y 320

Gb HDD.

TIF

JPG

30 segundos

Ingeniería en

Sistemas

Computacionales

Laptop HP, procesador AMD

Sempron (tm) de 1.6 GHz,

Win Vista, 640 MGb RAM y

120 Gb HDD

TIF

JPG

36 segundos

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121 

 

4.5. Interpretación de los resultados

El algoritmo utilizado se apega a la Lógica Difusa en la que se basa este documento,

ya que lleva a cabo una segmentación identificando cada pixel por el que se

conforma una imagen para así agrupar por patrones de color, esto es con las reglas

de la Lógica Difusa. Sin embargo, no es un algoritmo perfecto. Al respecto, es

importante aclarar que los cuerpos de agua que se han considerado en este

documento son lagos, lagunas, esteros, ríos y arroyos, que debido a las

precipitaciones algunos de ellos proliferan en áreas urbanas, fungiendo como fuente

probable de reproducción del mosquito Aedes aegypti causante del dengue

hemorrágico. De acuerdo con la tabla 3, la segmentación de una imagen en formato

TIF o JPG se lleva a cabo en menos de 1 minuto y con un pequeño margen de error.

Se realizaron otras pruebas con imágenes de menor altitud de la toma satelital

donde se aprecia que a menor altitud menor eficacia en la segmentación de la

imagen. Los resultados e imágenes se encuentran en el Anexo 2.

El SIDAIS se encuentra en una primera etapa se pueden mejorar y agregar

otras opciones como imprimir el resultado de la segmentación y sus variables

climáticas o graficarlas, por mencionar algunas. El resultado obtenido, es bueno, sin

embargo es de interés particular, seguir perfeccionando el sistema con el fin de

obtener aún mejores resultados.

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122 

 

CAPÍTULO 5. Conclusiones y sugerencias

5.1. Discusión

Los resultados de la segmentación de una imagen y su análisis muestran que es

posible determinar el porcentaje de riesgo que tiene alguna zona de interés en el

estado, en cuanto a la reproducción del mosquito causante del dengue. Este

porcentaje de riesgo puede mejorar la toma de decisiones al permitir comparar su

variabilidad a través del tiempo consultando la base de datos que se utilizará de

resguardo.

5.2. Cumplimiento de la hipótesis

La hipótesis se cumplió en un 95% ya que el algoritmo difuso puede identificar zonas

consideradas como probable foco de infección para la reproducción del mosquito

causante del dengue, sin embargo debe hacer una excepción con cuerpos de agua

como la playa o similares.

A continuación se da respuesta a las preguntas de investigación planteadas

en la sección 1.2.1.

¿Es posible desarrollar de manera eficaz un programa en lenguaje Python que

permita analizar con Lógica Difusa una imagen de satélite?

No fue posible desarrollar al 100% un programa en lenguaje Python que

permita analizar con Lógica Difusa una imagen satelital, ya que aún falta delimitar la

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123 

 

segmentación a ciertos cuerpos de agua. Se entiende con lo anterior, que la imagen

no debe contener parte de las playas o similares y la altitud de la toma satelital debe

pasar los 800 metros.

¿Es factible aplicar la Lógica Difusa para obtener un eficiente análisis de imágenes

satelitales?

La aplicación de la Lógica Difusa nos permite hacer un eficiente análisis de

imágenes satelitales, ya que el tiempo de proceso es mínimo, y, aunque con un

cierto margen de error (debido a la falta de delimitación del algoritmo) son detectados

los parámetros requeridos (cuerpos de agua y vegetación) de la imagen procesada.

¿Es recomendable segmentar por medio de patrones de falso color, la vegetación y

cuerpos de agua, encontrados en imágenes satelitales para considerar la

probabilidad de que ahí se desarrolle el mosquito causante del dengue?

Sí, se considera recomendable segmentar por medio de patrones de falso

color, aunque de antemano se sabe que no es un algoritmo perfecto, al utilizar

SIDAIS el resultado es proporcionado en segundos lo que permitirá hacer un sondeo

de la zona y planear una estrategia antes de gastar en recursos innecesarios.

5.3. Cumplimiento de los objetivos

Se cumplieron el 80% de los objetivos: al adaptar y aplicar un algoritmo difuso para

realizar la clasificación de una imagen satelital identificando cuerpos de agua (lagos,

lagunas, esteros, ríos y arroyos) y vegetación presentes, resaltando estos hallazgos

por un color predefinido, utilizando una tabla de falso color.

Respecto al 20% se espera realizar como trabajo a futuro para implantar el algoritmo

difuso en el sistema SIDAIS, así como las ventanas de navegación descritas en

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124 

 

puntos anteriores y completar el algoritmo para realizar el análisis comparativo entre

las variables del clima y los elementos predominantes (agua y vegetación).

5.4. Importancia de los resultados obtenidos

La importancia de primera instancia radica en dar a conocer con este trabajo la

gravedad que acontece a las múltiples epidemias que por diversos factores

mencionados anteriormente como el crecimiento demográfico o el descuido de sitios

públicos, no es posible detenerlas a tiempo y son causa de muerte de millones de

personas en todo el mundo.

Como segundo punto es importante dar a conocer que se encuentran en

desarrollo proyectos que relacionados con enfermedades epidemiológicas como el

dengue, reúnen información sobre parámetros comunes entre las personas

enfermas, con el fin de anticipar y estimar el tamaño de diversas epidemias. Por otra

parte, sistemas como el Google Earth permiten visualizar los puntos o hotspots,

calificados así cuando dos o más casos de dengue ocurren en un lapso de 14 días y

las casas de las víctimas se encuentran a 150m una de otra.

Este proyecto se centra en detectar las zonas propicias para la reproducción

del responsable de la transmisión del dengue hemorrágico: el mosquito Aedes

aegypti. Al detectarse a tiempo se estima pueda disminuir en un 70% su

reproducción en áreas inhóspitas o aisladas.

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125 

 

5.5. Posibles aplicaciones

Aunque el sistema se encuentra en una fase inicial se puede considerar su aplicación

variando los parámetros de entrada para localizar otro tipo de plagas o clima.

Asimismo, posteriormente se puede hacer uso de imágenes de mejor resolución

provenientes de algún satélite como LANDSAT 5 (TM) puesto en órbita en 1984 y

operado por la NASA, dedicado específicamente al monitoreo de vegetación, mapeo

de costas, diferenciación de cuerpos rocosos e incluso determinar la humedad del

suelo; lo que permitiría mayor certeza en la clasificación; o un satélite SPOT (Satellite

Probatoire pour l'Observation de la Terre) en órbita desde 1986.

5.6. Limitaciones de la investigación

Este proyecto se delimita a la detección principalmente de áreas del estado de

Colima donde se muestre un mayor índice de reproducción del mosquito Aedes

aegypti, tomando como referencia las variables de entorno que generen un clima

tropical o subtropical propicio para su reproducción. El uso de imágenes satelitales gratuitas debido a su baja resolución aumenta

el tiempo de segmentación.

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126 

 

5.7. Recomendaciones para continuar con la investigación en lo futuro

• Se considera como trabajo futuro la implantación del algoritmo difuso en el

sistema SIDAIS. Adaptando a él, la programación de módulos y componentes;

así como la implementación de Base de datos e Interfaces, descritas con

anterioridad.

• Se menciona con anterioridad que el algoritmo no es perfecto, ya que colorea

cuerpos de agua que no están considerados, se recomienda de igual forma

como trabajo futuro mejorar el algoritmo para que segmente solamente los

cuerpos de agua especificados (lagos, lagunas, esteros, ríos y arroyos).

• Se puede trabajar a futuro para relacionar el procesamiento de imágenes con

bases de datos de temperaturas.

• Se considera de igual forma como trabajo a futuro completar el algoritmo para

que realice el análisis comparativo entre las variables del clima, cuerpos de

agua y vegetación, requerido para obtener un mejor resultado del proceso de

la imagen zonas consideradas de riesgo.

• Se recomienda utilizar imágenes con mejor resolución que permitan una

clasificación o segmentación más eficiente.

• Se pueden programar módulos que grafiquen los porcentajes de riesgo a

través del tiempo.

• Se puede agregar un módulo de impresión de la base de datos que sirve

como almacén.

• Se puede utilizar un Sistema de Información Geográfica comercial por su

facilidad de uso pero primordialmente por la variedad de funciones que

incluye; además de proporcionar información de cualquier parte del mundo.

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127 

 

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130 

 

APÉNDICE A. Glosario

Aedes aegypti: corresponde al género y la especie, respectivamente del mosquito

transmisor del dengue.

Análisis por grupos (Cluster Analysis): método estadístico que agrupa a los

individuos según rasgos comunes. Permite el estudio de grandes grupos.

Artrópodo: tipo de invertebrados con simetría bilateral, el cuerpo segmentado y

recubierto por un tegumento duro y las patas articuladas: los insectos, las arañas y

los crustáceos son las clases más numerosas dentro de los artrópodos.

Banda: región del espectro electromagnético en la cual las longitudes de onda

adyacentes (contiguas) se comportan de forma similar o por mecanismos similares.

Cluster: grupo; racimo; agrupamiento.

Espectro Electromagnético: conjunto de todas las longitudes de onda en que se

presenta la radiación electromagnética, es un espectro continuo.

Fotógramo: de fotogrametría que es una técnica para obtener mapas y planos de

grandes extensiones de terreno por medio de la fotografía aérea.

Geo-referenciar: ubicar la existencia de cosas en el espacio físico, mediante el

establecimiento de relaciones entre imágenes de ráster o vector sobre una

proyección geográfica o sistema de coordenadas.

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131 

 

Imagen satelital: información capturada por los sensores localizados en satélites

espaciales.

JPG (Joint Photographic Experts Group, Grupo de Expertos en Fotografía): formato

de imagen más utilizado por cámaras digitales y otros dispositivos de captura de

imagen, así como para almacenar y transmitirlas a través de la WWW.

Percepción activa: ocurre cuando la irradiación utilizada proviene de una fuente

artificial.

Percepción pasiva: se utilizan fuentes de radiación de energía natural como la solar y

la emitida por la interacción de la tierra con la atmósfera.

Radiación Electromagnética: es una forma de transmisión de la energía por medio de

ondas electromagnéticas.

Reflexión: fenómeno por el cual gran cantidad de energía solar se devuelve al

espacio y se observa por los sensores de los satélites.

Similaridad: se entiende como la proximidad entre dos puntos en un espacio de n

dimensiones (que no se puede representar físicamente, si n es mayor que 3). A

mayor disimilitud los puntos se alejan.

Sistema de Información Geográfica (SIG): es un programa informático que permite

gestionar y analizar principalmente datos espaciales.

Teledetección: ciencia y arte de obtener información de un objeto, área o fenómeno a

través del análisis de datos adquiridos por sensores.

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132 

 

Tegumento: membrana que cubre el cuerpo de los artrópodos o algunos de sus

órganos internos.

TIF (Tagged Image File Format): formato de imagen, el cual además de sus propios datos contiene una descripción de las características de la imagen, a las que se les denomina etiquetas.

Threshold (Umbral): cantidad mínima de señal que ha de estar presente para ser

registrada por un sistema. Por ejemplo, la mínima cantidad de luz que puede detectar

el ojo humano en la oscuridad. Máximo o mínimo nivel aceptable de uso.

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APÉNDICE B. Lista de Abreviaturas DPI Dots per inch

ERTS Earth Resources Technology Satellite

FFVP Fuzzy Freeze Video Printer

LANDSAT (TM) Mapeador térmico de Landsat

MODIS Resolución Moderada de Imágenes Espectroradiométricas

OMS Organización Mundial de la Salud

SIG Sistema de Información Geográfica

SPOT Satellite Probatoire pour l'Observation de la Terre

WHO World Health Organization

WWW World Wide Web

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134 

 

ANEXO I. Formato de la prueba de usabilidad aplicado y requisitado por un equipo

multidisciplinario, que de forma libre y voluntaria evaluó el

funcionamiento del algoritmo SIDAIS.

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136 

 

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137 

 

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138 

 

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139 

 

ANEXO 2. Se seleccionaron varias imágenes en las que la altitud de la toma satelital varía de

los 305 a los 822 m. La siguiente tabla muestra la información de cada imagen antes

y después de ser procesadas por el algoritmo difuso SIDAIS. En relación al tamaño,

las de formato JPG aumentaron de 4 a 36 KB al ser procesadas, las de formato TIFF

no tuvieron variación. El tiempo de proceso de la segmentación osciló entre los 40 y

43 segundos para ambos formatos. Cabe señalar que hubo 2 casos en los que las de

menor tamaño tuvieron un tiempo mayor para ser segmentadas.

Desafortunadamente, la segmentación no se realizó de la manera esperada

en las imágenes de la Bahía de Manzanillo, así como en el centro y Miramar.

IMAGEN ORIGINAL

RESULTADO IMAGEN SEGMENTADA

IMAGEN FORMATO TAMAÑO TIEMPO TAMAÑO OBSERVACIONES

Bahía de Santiago, Mzo, Col.

JPG 370 KB 43 segs 374 KB Segmentación pobre

TIFF 3.85 MGb 42.9 segs 3.85 MGb Segmentación pobre

Centro Colima, Col.

JPG 458 KB 40 segs 494 KB Segmentación media

TIFF 3.85 MGb 42 segs 3.85 MGb Segmentación media

Centro de Mzo, Col.

JPG 273 KB 41.5 segs 277 KB Segmentación pobre

TIFF 3.85 MGb 43 segs 3.85 MGb Segmentación pobre

Miramar, Mzo, Col.

JPG 353 KB 41.9 segs 372 KB Segmentación pobre

TIFF 3.85 MGb 41.4 segs 3.85 MGb Segmentación pobre

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Bahía de Santiago en Mzo, Colima. (JPG) Resultado

Bahía de Santiago en Mzo, Colima. (TIFF) Resultado

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141 

 

Imagen del Centro de Colima, Col. (JPG) Resultado

Imagen del Centro de Colima, Col. (TIFF) Resultado

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142 

 

Imagen del Centro de Mzo, Colima. (JPG) Resultado

Imagen del Centro de Mzo, Colima. (TIFF) Resultado

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143 

 

Miramar en Manzanillo, Colima. (JPG) Resultado

Miramar en Manzanillo, Colima. (TIFF) Resultado