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Sistemas de Informação Geográfica Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Esp. Marcelo Antônio da Costa Silva Revisão Textual: Prof.ª Esp. Luciene Santos Modelagem da Base Geográfica • Os 8 Tópicos Principais da Base Geográfica; • Tema da Base Geográfica; • Sistema de Projeção Cartográfica; • Escala e Precisão; • Atualização da Base Geográfica; • Atributos da Base Geográfica; • Formas de Armazenagem; • Entrada de Dados Gráficos; • Rasterização/Vetorização; • Topologia. · Conhecer 8 tópicos básicos que envolvem a modelagem da base geográfica; · Compreender cada item de formação, capacitando o aluno a discu- tir questões que possam envolver a construção, ou análise, utiliza- ção e compatibilidade da base geográfica. OBJETIVO DE APRENDIZADO Modelagem da Base Geográfi ca Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional, siga algumas recomendações básicas: Assim: Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina. Por exemplo, você poderá determinar um dia e horário fixos como seu “momento do estudo”; Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo; No material de cada Unidade, há leituras indicadas e, entre elas, artigos científicos, livros, vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade. Além disso, você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar, que ampliarão sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados; Após o contato com o conteúdo proposto, participe dos debates mediados em fóruns de discus- são, pois irão auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento, além de propiciar o contato com seus colegas e tutores, o que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de aprendizagem. Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Mantenha o foco! Evite se distrair com as redes sociais. Determine um horário fixo para estudar. Aproveite as indicações de Material Complementar. Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar; lembre-se de que uma Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado. Aproveite as Conserve seu material e local de estudos sempre organizados. Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias! Isso amplia a aprendizagem. Seja original! Nunca plagie trabalhos. UNIDADE Modelagem da Base Geográfica Os 8 Tópicos Principais da Base Geográfica Vamos detalhar nesta aula os 8 tópicos principais de uma base geográfica, con- forme mencionado anteriormente. Recapitulando, os tópicos são: 1. Temas; 2. Sistemas de Projeção Cartográfica; 3. Escala e Precisão; 4. Atualização; 5. Atributos; 6. Formas de Armazenamento; 7. Entrada de Dados Gráficos; 8. Topologia. Tema da Base Geográfica A base de dados de um SIG é organizada por temas que contêm as característi- cas gráficas e descritivas de um determinado tipo de informação. O tema, normal- mente, é um único tipo, ou classe de informação. Por exemplo: solo, vegetação, geologia, declividade, arruamento, lotes, rede elétrica etc. É representado por uma única feição gráfica: pontos, linhas ou polígonos. Explicando: o tema “vegetação” compõe-se pelas delimitações gráficas de manchas de vegetação diferentes e os atri- butos que descrevem cada um dos tipos de vegetação; o tema “altimetria” compõe- -se pelos pontos cotados, pelas curvas de nível e pelo atributo da cota altimétrica de cada um dos elementos gráficos (ROSA & ROSS, 1999). Portanto, cada base geográfica carrega um tema específico. Em geral, precisamos de algumas bases geográficas para montar um mapa, uma cartografia. Porém, quando pensamos em construir um mapa, devemos identificar seu tema e logo relacionar este tema com a base geográfica que irá carregar essa informação principal. Por exemplo, caso eu queira construir um mapa de uso do solo, logo terei que ter uma base geográfica de uso do solo para formatar essa informação no mapa. É possível agregar outras bases de outros temas, como limites municipais, estradas, hidrografia etc. para tornar mais efi- ciente o mapa que estamos construindo, porém, a base principal que carrega este tema, no caso o uso do solo, deve impreterivelmente compor este mapa. 8 9 Veja a seguir um exemplo de mapa e a identificação do tema da base geo- gráfica principal. Figura 1 – Exemplo de mapa mostrando o uso do solo composto pelas feições de vegetação e áreas operacionais do entorno de uma ferrovia Fonte: Google Earth Pro, 2010 Neste exemplo da figura acima, o mapa mostra ao uso do solo da área de en- torno de uma linha ferroviária. A base geográfica principal carrega o próprio tema do mapa, ou seja, neste caso, temos uma base geográfica que contempla informa- ções sobre o uso do solo, no qual cada registro contém uma informação atribuída sobre qual a feição de uso representa. De forma mais simples, uma determinada área ou vetor que aparece no mapa tem uma informação atribuída sobre o uso do solo contido neste espaço que, conforme o mapa, pode ser um tipo de vegeta- ção ou uma infraestrutura operacional da linha ferroviária (conforme a legenda). O arquivo, ou base geográfica, de uso do solo, neste caso, é um shapefile. 9 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica Sistema de Projeção Cartográfica A definição de um sistema de projeção da base geográfica é essencial para in- terpretar a localização espacial agregada na base geográfica. Isso traz várias possibilidades, como a junção de cartas adjacentes e o encaixe exato dos diversos temas quando sobrepostos (ROSA & ROSS, 1999). Os sistemas de projeção se utilizam de superfícies geométricas (cilindros, co- nes, planos etc.) para criar uma representação plana da superfície tridimensional da Terra. Esta representação baseia-se em um sistema de coordenadas que torna possível a representação de qualquer elemento da superfície terrestre. O sistema de projeção mais utilizado no Brasil para as cartas topográficas em escala 1:250.000 e maiores é o Sistema UTM (Universal Tranverso de Mercator) que utiliza como superfície auxiliar um cilindro secante a superfície terrestre. O cilindro transverso secante é aplicado a cada fuso de 6 graus, dividindo a terra em 60 fusos, numerados a partir do antemeri- diano de Greenwich. Figura 2 – Ilustração conceitual de uma projeção utilizando-se o plano secante ao globo Fonte: Peter H. Dana, 1994 Em escalas menores, os sistemas mais utilizados são os de coordenadas geográ- ficas. O intuito de se utilizar determinada projeção cartográfica visa não somente a localização do elemento no plano terrestre, mas também a minimização das distorções dessa localização e das distâncias com outros elementos. Portanto, de- pendendo de onde estamos visualizando o objeto no plano terrestre, um sistema 10 11 de projeção será mais ou menos indicado para aquela região do globo. A seguir, são apresentados alguns exemplos de projeção cartográfica: Figura 3 – Representação de dois sistemas diferentes na região da África (UTM à esquerda e geográfi ca à direita) Figura 4 – Representação de dois sistemas diferentes observando todos os continentes. (Robinson à esquerda e Geográfi ca à direita) Figura 5 – Representação de sistema de projeção específi co para a região do Marrocos, na África 11 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica a) b) Figura 6 – Ilustração conceitual de tipo de projeção cilíndrica(a) e cônica (b) Fonte: Peter H. Dana, 1994 Ilustração conceitual da visualização de um mapa utilizando um tipo de projeção cônica. Disponível em: https://goo.gl/c69G9S.Ex pl or Portanto, na construção de uma base geográfica, precisamos ficar atentos na escolha do melhor sistema de projeção a ser adotado, dependendoda escala, exten- são territorial e a região do globo terrestre que pretendemos localizar os registros da base geográfica. Importante! Existem vários sistemas de projeção disponíveis, porém, devemos nos concentrar para os mais comuns utilizados para cartografias com visadas na região do Brasil. Estas são: o sistema UTM e o sistema de coordenadas geográfica com o SIRGAS 2000 como DATUM de referência. Importante! 12 13 Escala e Precisão A escala é um componente que também precisa ser muito bem analisado na construção de uma base geográfica. Quanto maior a escala, maior o tempo e o custo envolvidos na criação da base. Deve-se estabelecer qual a escala necessária para atender às aplicações propostas e qual o nível de precisão requerida para esta base de dados (ROSA & ROSS, 1999). Esta é uma afirmação muito perigosa: “Não é necessária uma base de dados per- feita para se trabalhar com um Sistema de Informações Geográficas”. Principalmente se for mal explicada ou interpretada. Se o objetivo da aplicação em SIG é localizar as melhores rotas para distribuição de pizza, por que se investiria em um recobrimento aerofotogramétrico digital na escala 1:2.000? Isso implicaria em um custo e um tempo de preparação tão altos que tornariam o projeto inviável. Uma base do arruamento na escala 1:5.000, sem muita precisão, mas que tenha todas as ruas e endereços cadas- trados atenderia, da mesma maneira, a esta necessidade com um custo muito menor. Se a intenção é trabalhar com cadastro urbano para cobrança de IPTU, uma base criada com uma qualidade inferior à descrita no exemplo acima (1:2.000) implicaria em uma série de erros no cálculo das áreas de cada lote, o que, fatal- mente, também tornaria o projeto inviável. Explicando melhor a afirmação: realmente não é preciso uma base de dados “perfeita”, é preciso uma base de dados “adequada” à aplicação proposta, e isso inclui a definição da escala e a precisão do dado. A base de dados tem que ser muito bem documentada para que esteja claro até que ponto pode-se con- fiar nela, quando é necessária uma nova conferência em outras fontes ou em campo, ou quando não é possível utilizá-la. Pode-se dizer que o critério utilizado para a análise da escala em bases geográficas de vetores é o mesmo para imagens raster. Dessa forma, a figura a seguir apresenta um exemplo das diferentes escalas para imagens, de um lado Landsat de menor re- solução, de outro, uma imagem Ikonos de alta resolução. Optou-se por este tipo de exemplo com imagens por ser, neste momento, uma forma mais fácil e didática de se compreender tais diferenças. De qualquer forma, ratifica-se que a aplicabilidade nesse caso das escalas é a mesma tanto para vetores quanto para rasters. Veja que a aplicação de cada uma é inerente à escala que se quer trabalhar. 13 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica Exemplo da visualização de imagens raster utilizando escalas diferentes e a pro- posição e funcionalidade mais adequada: Figura 7a – Em escala menor, na imagem Landsat identifica-se melhor as manchas urbanas e adensamentos (em rosa e roxo), além das manchas de vegetação (em verde) Figura 7b – Na imagem Ikonos é mais difícil identificar as diferenças dessas feições nessa escala Figura 7c – Conforme se aproxima a imagem Landsat vai perdendo a resolução apresentando maiores distorções entre as manchas Figura 7d –No caso das imagens Ikonos, a aproximação vai revelando detalhes antes não observáveis em escalas menores Figura 7e – A imagem Landsat bem aproximada apresenta distorções e perde a funcionalidade nessa escala Figura 7f – A imagem Ikonos mostra a riqueza de detalhes e a melhor proposição de se trabalhar em escalas maiores com essa imagem Fonte: Embrapa 14 15 Atualização da Base Geográfi ca O grau de atualização também é um tópico importante tanto na construção quanto na avaliação das bases geográficas. Manter a base de dados atualizada implica no desenvolvimento de um rígido mé- todo de trabalho. A aplicação determinará qual o grau de atualização necessária para cada tema. A evolução do sensoriamento remoto tem dado uma grande ajuda para aplicações ambientais ou regionais, fornecendo dados a um período cada vez mais curto de tempo e com precisão cada vez maior (ROSA & ROSS, 1999). A preservação, ou até mesmo a necessidade de construção, de bases geográ- ficas representando períodos passados favorece a análise histórica dos aconte- cimentos, o que pode revelar tendências, explicações sobre fenômenos atuais e até mesmo o conhecimento de formações antigas. O IBGE, por exemplo, administra um banco de dados com informações histó- ricas demográficas das cidades. A periodicidade dessas informações é decenal no geral. É possível comparar dados de 1980 com 2010. Nos últimos anos, o IBGE percebeu a necessidade de se registrar o contingen- te populacional das cidades em períodos mais curtos de tempo, porém, utilizando estimativas como método. Esta é uma forma diferente de se construir o mesmo dado decenalmente censeado. A preocupação, neste caso, deve ser com a com- parabilidade da informação, pois critérios e métodos diferentes na construção da base podem gerar distorções nos resultados analíticos. Importante! A defi nição da periodicidade de atualização versus os métodos e critérios utilizados em cada período histórico de criação da base geográfi ca deve observar os demais 7 tópicos apresentados na aula. De preferência, todos os demais tópicos devem ter critérios iguais, ou minimamente semelhantes nas atualizações e períodos de construção da base. Importante! Portanto, os critérios de atualização da base geográfica que devem ser obser- vados são: • Periodicidade: é importante determinar o período para atualização da base geográfica quando o intuito for o de gerar dados históricos, ou de determinar qual a data possível, ou mais indicada para a construção de uma determinada base para determinado propósito; • Método de atualização: os métodos para construção da base devem mini- mamente ser mantidos na atualização dos dados, ou, pelo menos, criados critérios que possam tornar as bases de períodos diferentes comparáveis. 15 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica Atributos da Base Geográfica Ainda no processo de modelagem da base, definem-se quais atributos serão criados para cada tema. É importante selecioná-los de acordo com as aplicações previstas, para que futuramente elas não fiquem restritas à base de dados por fal- ta de informações, ou para que não existam dados desnecessários, aumentando o tempo e o custo de criação desta base (ROSA & ROSS, 1999). Os atributos definidos para uma base geográfica devem, evidentemente, que estar atrelados ao tema da base geográfica. Por exemplo, na construção de uma base geográfica de unidades de conservação do Estado de São Paulo, podemos imaginar que o nome da unidade de conservação e sua categoria seriam atribu- tos importantes para essa base. Na construção de uma base geográfica com o tema hidrografia, o tipo de corpo hídrico (rio, córrego, ribeirão) seria um atribu- to a ser considerado, bem como o nome do corpo hídrico. Além de definir quais atributos devem compor a base geográfica, torna-se ne- cessária a definição de formato do campo do atributo. Esse procedimento ajuda a manter a qualidade e integridade das informações da tabela de atributos. Por exemplo, em uma base geográfica de hidrografia, o campo tipo de corpo hídri- co pode ser formatado para receber letras e números, mas, com limite de até cinquenta caracteres. Um atributo de extensão do corpo hídrico para a mesma base pode estar formatada para receber apenas números decimais. É muito importante, também, a definição de uma codificação que identifique e in- dividualize cada entidade gráfica como um único elemento ou como uma única classe de elementos. Para isso, deve ser criado um campo-chave que identifica o registro de forma única. Geralmente, os softwares utilizados na construção de uma base geo- gráficajá carregam essa funcionalidade automaticamente. Porém, sugere-se que seja criado um campo-chave próprio além daquele gerado automaticamente, para am- pliar as possibilidades de processamento da base geográfica. Um exemplo bastante típico de campo-chave é o código do IBGE para os municípios brasileiros. Note que o código do município nunca se repete, mesmo que sejam criados novos municípios. Formas de Armazenagem Existem diversas formas de armazenamento dos dados em formato digital, cada uma com características específicas, mais apropriadas para determinados elementos e/ou aplicações (ROSA & ROSS, 1999). Em especial, temos comentado sobre dois formatos mais usuais para as bases geográficas, sendo: • Formato Vetorial – Segundo Bertin (1977), uma superfície plana pode conter três tipos de figuras geométricas utilizadas na representação gráfica: o ponto, a linha e o polígono; 16 17 • Formato Matricial ou Raster – O modelo matricial, também chamado de “raster” ou estrutura celular, armazena todas as informações dentro de uma malha, ou grid, composta por um determinado número de linhas e co- lunas onde cada célula representa uma porção do documento, denominada pixel (picture x element). O valor associado a cada pixel é uma potência de base 2 o qual é denominado nível de cinza, sendo que zero representa preto e o máximo valor (2 n-1) representa branco, onde “n” é o número de bits utilizado na representação digital, que varia de 2, 4, 6 ou 8, que representam 2, 16, 64 e 256 diferentes níveis de cinza respectivamente (QUINTANILHA, 1995). Este formato de dados é normalmente utilizado para armazenar, em meio digital, imagens, fotografias aéreas ou imagens de satélite, ou dados que possuem uma variação contínua, como os mode- los digitais do terreno. Existem outros formatos possíveis de serem trabalhados em SIG, como, por exemplo, GRID, que se assemelha com os formatos Raster, ou MDE (Modelo Di- gital de Elevação). Atualmente, temos também o formato LAS (Laser Scanning). Entrada de Dados Gráfi cos O processo de entrada de dados envolve a conversão de dados oriundos de dife- rentes fontes para o formato digital que será incorporado a um BDG. Os processos de aerolevantamento e interpretação de imagens de satélite atualmente já podem dar origem a produtos em formato digital nos casos da execução de uma restituição digital (ROSA & ROSS, 1999). Outro processo comum é o levantamento topográfico, através da forma tradi- cional, por teodolitos, ou através de GPS (Global Position System). Atualmente, há tecnologias para levantamento topográfico com o uso de equipamentos laser scanner que permitem a captação de uma imagem-mosaico formada por uma nuvem de pontos com espaçamento de 3mm entre eles, e informações tridi- mensionais. Existem maneiras e métodos de transformar diretamente em mapas digitais os dados coletados com estes equipamentos. Outra forma, mais primária de conversão de dados é a partir da digitalização de cartas existentes em formato analógico (ROSA & ROSS, 1999). A digitalização em mesa consiste no processo de conversão de dados para o for- mato vetorial através da utilização de uma mesa digitalizadora, também conhecido apenas por digitalização. Este equipamento consiste em uma superfície sensora plana, sob a qual existe uma rede ortogonal utilizada para determinar impulsos elétricos den- tro de cada célula dessa rede. Esse sinal elétrico geralmente é transmitido através do acionamento de um cursor que, ao percorrer a superfície da mesa, indica sua posição (QUINTANILHA, 1995). O digitalizador se utiliza desta capacidade para movimentar o cursor seguindo os elementos que deseja introduzir no computador. A mesa digitali- 17 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica zadora capta e transfere ao computador a coordenada de cada ponto. O computador pode processá-la, convertendo a um sistema de coordenadas previamente estabeleci- do ou apenas armazená-la (ROSA & ROSS, 1999). Hoje em dia, a mesa digitalizadora foi substituída pelo escaneamento das plantas e o tratamento diretamente no arquivo digital. Dessa forma, a digitalização pode ser feita com recursos disponíveis diretamente no software sobre a imagem escaneada. Outras formas disponíveis envolvem a conversão de dados de planilhas con- tendo as coordenadas geográficas, no qual o sistema poderá plotar o registro de forma georreferenciada. Figura 8 – GPS Figura 9 – Laser Scanner Figura 10 – Estação Total Fonte: iStock/Getty Images 18 19 Figura 11 – Satélite Fonte: iStock/Getty Images Figura 12 – Drone Fonte: iStock/Getty Images Rasterização/Vetorização O processo de rasterização consiste na conversão de elementos do meio analógico para o formato raster. Realiza-se este processo através de um scanner, equipamento capaz de criar imagens raster, através da absorção e reflexão de luz por determinado documento. As partes mais escuras absorvem a luz, enquanto as claras a refletem (ROSA & ROSS, 1999). São necessários ajustes nos elementos a serem escaneados. No caso de uma fotografia ou imagem de satélite, deve-se realizar o registro, que consiste na criação de referências da imagem raster a um sistema de coordenadas e a retifi- cação, que ajusta esta imagem às coordenadas reais. Os elementos escaneados podem ainda necessitar de uma conversão para o formato vetorial, quando se tratam de mapas. Este processo de vetorização pode ser executado de três formas diferentes: • Manual: A imagem raster é utilizada somente como um pano de fundo que serve de orientação para que o usuário faça a digitalização sobre a própria tela do computador; • Semiautomática: Trabalha com imagens em branco e preto. O sistema identifica sequências de células do mesmo valor na imagem para geração das linhas e o usuário intervém nos momentos onde existem bifurcações, para orientá-lo por onde seguir; 19 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica • Automática: O computador converte todas as células de um mesmo valor em elementos vetoriais. O resultado sempre apresenta falhas ou ruídos que devem ser eliminados com um tratamento posterior. Todos os textos, símbo- los e sujeiras presentes no mapa-fonte são convertidos em arcos. Figura 13 – Exemplo de imagem interpretada (imagem original à direita e vetores interpretados manualmente à esquerda) Fonte: Google Earth Pro, 2010 Topologia A topologia é uma característica fundamental da base geográfica. Ela é a capacidade de identificação das relações especiais existentes entre os diversos elementos gráficos. É responsável por características como a conectividade e o estabelecimento da direção dos arcos, a identificação e criação dos polígonos a partir de uma série de arcos conectados e fechados e a adjacência entre os polígonos que compartilham um mesmo arco. No processo de criação da topologia, cada ele- mento é diferenciado e identificado, o que torna possível associar-lhe atributos descritivos. Esta relação entre elementos gráficos e seus atributos alfanuméri- cos é o ponto de partida para os SIGs (ROSA & ROSS, 1999). Ao criar uma base geográfica, a topologia deve estar corretamente construída. Há regras a serem observadas para que não haja erro de topologia na base geo- gráfica, a maioria envolvendo os vetores de polígonos. 20 21 Algumas regras topológicas para polígonos: • Não devem sobrepor. • Não devem conter fendas; • Não devem conter geometrias inválidas; • Não devem conter duplicatas. Algumas regras topológicas para linhas: • Não devem interceptar-se; • Não devem conter duplicatas; • Não devem conter geometrias inválidas. Algumas regras topológicas para pontos: • Não devem conter duplicatas; • Não devem conter geometrias inválidas; • Não devem ter geometrias multiparte. Outras regras podem ser incorporadas pelo operador, buscando maior quali- dade nos dados produzidos. 21 UNIDADE Modelagem da Base Geográfica Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Sites Processamento DigitalNa página “Processamento Digital”, canal da internet de conteúdo voltado à geo- grafia e geoprocessamento, você encontra apostilas com mais informações sobre regras topológicas. https://goo.gl/EinPiL IBGE Veja no site do IBGE as diferentes pesquisas populacionais (censo demográfico, esti- mativas, contagem, projeções etc.) e compare os métodos utilizados para calculo de cada uma. https://goo.gl/R4uqMQ EngeSat A empresa Engesat apresenta em sua página exemplos e descrição dos diferentes produtos provenientes de imageamento por satélite e suas funcionalidades. https://goo.gl/bhHeFM Leitura Geodatabase Topology Rules Outra fonte bastante interessante sobre regras topológicas pode ser encontrada no site da ESRI. https://goo.gl/jPkhti 22 23 Referências BERTIN, J. La Graphique et lê Traitement Graphique de L’Information. Paris, Flammarion, 1977. QUINTANILHA, J.A. Entrada e Conversão de Dados: Processos de Construção de Bases Digitais de Dados Espaciais. Anais III Simpósio Brasileiro de Geoproces- samento, 1995. ROSA, M.R.; ROSS, J.L. Aplicação de SIG na geração de cartas de fragilidade. Revista do Departamento de Geografia. n.13, São Paulo ,1999. 23