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Prof. Helder Lages Jardim e Lussandra Gianasi A coleta de informações sobre a distribuição geográfica de recursos minerais, propriedades rurais e urbanas, animais e plantas, etc., sempre foi uma parte importante das sociedades organizadas. Introdução Geoprocessamento O termo Geoprocessamento denota a disciplina do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para o tratamento da informação de recursos naturais, transportes, comunicações, energia e planejamento urbano e regional. As ferramentas de Geoprocessamento - Sistemas de Informação Geográfica (GIS), permitem realizar análises complexas, ao integrar dados de diversas fontes e ao criar bancos de dados georreferenciados – automação da produção de documentos cartográficos Nos últimos anos, houve um avanço significativo nas mais diversas áreas do conhecimento humano. Dentre estes avanços, destaca-se as técnicas de análise espacial, principalmente as relacionadas ao geoprocessamento e ao sensoriamento remoto. Hoje em dia, com qualquer computador e em qualquer lugar, podemos visualizar imagens, mapas, coletar dados e inseri-los em um sistema de processamento digital qualquer, com o objetivo de gerar novas informações sobre o ambiente em que vivemos. Toda a atividade humana é realizada sobre a superfície terrestre Ter controle de toda essa atividade é de suma importância para nós – tomada de decisões O que distingue um problema geográfico do outro??? 1) Escala ou nível de detalhamento geográfico 2) Propósito (imediatismo ou não) 3) Escala temporal O adjetivo Geográfico refere-se à superfície terrestre ou ao que está próximo à superfície O adjetivo Espacial refere-se a qualquer espaço e não apenas ao espaço da superfície da Terra. Praticamente todas as atividades e decisões humanas envolvem um componente geográfico Traduzindo a informação geográfica Mundo Real: são as entidades da realidade a serem modeladas pelo sistema Universo Matemático (conceitual): definição matemática (formal) das entidades a serem representadas (contínuos/individualizáveis; temáticos, cadastrais, etc) Traduzindo a informação geográfica Universo de Representação: onde as diversas entidades formais são mapeadas para representações geométricas e alfanuméricas no computador (matriz/vetor). Universo de Implementação: onde as estruturas de dados e algoritmos são escolhidos, baseados em considerações como desempenho, capacidade do equipamento e tamanho da massa de dados – Desempenho – modelo de dados. Interface do Usuário: reflexão sobre o universo conceitual e escolha de detalhes dos universos de representação e implementação. Traduzindo a informação geográfica Minimização da complexidade envolvida nos diferentes tipos de representação geométrica, Sistemas de medida e de referência espaço- temporal: Nominal: baseia-se na diferenciação entre os objetos segundo classes distintas – Mapas Temáticos – a classificação dos eventos serve apenas para identifica-los. Ordinal: atribui valores ou nomes para as amostras, gerando um conjunto ordenado de classes (1- baixo, 2-médio, 3- alto; maior do que, menor do que) Numéricos: quando o estudo necessita de uma descrição mais detalhada que permita comparar intervalo e ordem de grandeza entre eventos. Intervalo: é baseado em escalas de números reais, onde o valor zero é definido de forma arbitrária, permitindo a atribuição de valores negativos e positivos [-,0,+] – localização geográfica. Razão: o ponto de referência zero não é arbitrário, mas determinado por uma condição natural – temperatura, volume, distância entre dois pontos, etc. – permitem estimar proporções e podem ser utilizadas em operações de: X, ÷, + e -. Tipos de dados em Geoprocessamento Dados Temáticos: descrevem a distribuição espacial de uma grandeza geográfica, de forma qualitativa – mapas de pedologia, aptidão agrícola, etc. – digitalização/classificação de imagens. Dados Cadastrais: cada um dos seus elementos é um objeto geográfico que possui atributos e podem estar associados a várias representações gráficas. Por ex.: lotes de uma cidade são elementos do espaço geográfico, que possuem atributos (dono, localização, valor venal, etc.) e que podem ter representações gráficas diferentes em mapas de escalas distintas. Tipos de dados em Geoprocessamento Redes: são informações normalmente ligadas a: Serviços de utilidade pública (água, luz, telefone); Redes de drenagem (bacias hidrográficas); Rodovias. Cada objeto geográfico (cabo telefônico, transformador de rede elétrica, cano de água) possui uma localização geográfica exata e está associado a atributos descritivos presentes no banco de dados. São armazenadas em coordenadas vetoriais com topologia arco-nó, com atributos que incluem o sentido de fluxo e os atributos dos nós (impedância) – custo de percorrimento. Metrô de Paris, França Rede de água Mapas de Rede Tipos de dados em Geoprocessamento Modelos Numéricos do Terreno - MNT: é uma representação quantitativa de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Um MNT pode ser definido como um modelo matemático que reproduz uma superfície real a partir de algoritmos e de um conjunto de pontos (x,y) em um referencial qualquer, com atributos z que descrevem a variação contínua da superfície. Tipos de dados em Geoprocessamento Imagens: são obtidas por satélites, fotografias aéreas ou scanners aerotransportados. São armazenadas como matrizes, onde cada pixel tem um valor proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida pela área da superfície terrestre correspondente a ele. Para se separar os objetos geográficos contidos nas imagens, recorre-se a técnicas de fotointerpretação ou de classificação para individualiza-los Em Geoprocessamento, o espaço geográfico é modelado segundo duas visões complementares: Campos Contínuos; Objetos Discretos. O modelo campos contínuos enxerga o espaço geográfico como uma superfície contínua sobre a qual variam os fenômenos a serem observados. O modelo objetos discretos representa o espaço geográfico como uma coleção de distintas e identificáveis. Por exemplo: Lotes em um mapa cadastral; Rios de uma bacia hidrográfica, etc. Região Geográfica Pode ser definida como uma superfície qualquer pertencente ao espaço geográfico, que pode ser representada num plano ou reticulado, dependente de uma projeção cartográfica. A região geográfica serve de suporte geométrico para a localização de entidades geográficas, pois toda entidade geográfica será representada por um ponto ou um conjunto de pontos. Campos Contínuos Representa a distribuição espacial de uma variável geográfica que possui valores em todos os pontos pertencentes a uma região geográfica. Os campos podem ser especializados em; Temático: associa a cada ponto do espaço, um tema do mapa. P.ex.: campo vegetação pode ser caracterizado por um conjunto de temas (floresta densa, aberta, cerrado, etc.); Numérico: associa cada ponto de uma região geográfica a um valor real. P.ex.: altimetria; Dado de sensor remoto: discretização da resposta recebida por um determinado sistema sensor de uma área da superfície terrestre.Objetos Discretos É um elemento único que possui atributos não-espaciais e está associado a múltiplas localizações geográficas. A localização pretende ser exata e o objeto é distinguível de seu entorno. Três grandes característica desta definição: 1) Projeções cartográficas: representações geométricas descontínuas, principalmente nas projeções planares da Terra. 2) Representações Geométricas em Diferentes Escalas: dependendo da escala, um mesmo objeto teria diversas representações geométricas. P.ex.: em um mapa na escala de 1:50.000, Belo horizonte apareceria como um objeto contínuo. Já em uma escala de 1:1.000.000 seria representado de forma descontínua, por um ponto. 3) Múltiplas Representações Temporais: as diferentes representações de um objeto podem corresponder a variações temporais do mesmo, como por exemplo, no caso de um lago retratado nas estações chuvosa e seca. Objeto Não-Espacial É um objeto que não possui localização espacial associada. É útil pois pode-se associar um cadastro alfanumérico a dados georreferenciados contendo a localização geográfica, como no caso do cadastro urbano. Assim, a noção de objeto não-espacial engloba qualquer tipo de informação que não seja georreferenciada e que se queira agregar a um SIG. No universo de representação é que se definem as possíveis representações geométricas que podem estar associadas às classes do universo conceitual: Representação Vetorial; Representação Matricial. Na representação vetorial, o elemento gráfico a ser representado é reproduzido o mais exatamente possível. Qualquer entidade ou elemento gráfico de um mapa é reduzido a três formas básicas: pontos, linhas e polígonos. A representação matricial consiste no uso de uma malha quadriculada regular, sobre a qual se constrói, célula a célula, o elemento que está sendo representado. À cada célula, atribui-se um código referente ao atributo estudado, de tal forma que o computador saiba a que elemento ou objeto pertence determinada célula. Essas representações estão associadas aos dados temáticos, cadastrais, redes e imagens. Representação Matricial: o espaço é representado por uma matriz (m,n), composto de m colunas e n linhas, onde cada célula possui um atributo z, com um valor correspondente ao atributo estudado. A representação matricial supõe que o espaço pose ser tratado como uma superfície plana, onde cada célula está associada a uma porção do terreno. Os dados são codificados célula a célula, atribuindo a cada uma o código correspondente a uma classe referente ao fenômeno estudado. Pixel Representação Vetorial Aqui, a localização e a aparência gráfica de cada objeto são representadas por um ou mais pares de coordenadas. São considerados três elementos gráficos: Ponto; Linha Poligonal; Área (Polígono). Representação Vetorial Aqui, a localização e a aparência gráfica de cada objeto são representadas por um ou mais pares de coordenadas. São considerados três elementos gráficos: Ponto; Linha Poligonal; Área (Polígono). O Ponto é um par ordenado de coordenadas espaciais (x, y). Além destas coordenadas, outros atributos não espaciais podem ser adicionados para indicar de que tipo de ponto está se tratando (p.ex.: árvore, poste, etc.). As Linhas Poligonais são um conjunto de pontos conectados. Além das coordenadas dos pontos que a compõem são também armazenados atributos. Os Polígonos são as regiões do plano delimitadas por uma ou mais linhas poligonais conectadas de tal forma, que o último e o primeiro ponto da linha coincidam. Vetores e Topologia em SIG Os objetos de áreas podem ter 3 formas diferentes: Objetos Isolados: objetos de uma mesma classe não se tocam, como edificações, piscinas e quadras em mapas cadastrais; Objetos Aninhados: curvas de nível que não se tocam, estando elas “empilhadas” umas sobre as outras; Objetos Adjacentes: o exemplo típico são as modalidades de divisão territorial, que se tocam e, por isso, compartilham fronteiras. Topologia Arco-Nó É a representação vetorial associada a uma rede linear conectada através de Nós (ponto de intersecção entre duas ou mais linhas, correspondente ao ponto inicial/final de cada linha). Topologia Arco-Nó-Polígono É utilizada para representar áreas e seu objetivo é descrever as propriedades topológicas de tal maneira que os atributos não-espaciais associados possam ser manipulados. Comparação entre as representações Matricial e Vetorial Para a produção de mapas em que se necessita de maior precisão, a representação Vetorial é mais adequada. As operações de álgebra de mapas (cruzamento) são mais facilmente realizadas no formato matricial. Representação Vetorial Representação Matricial X Comparação entre as representações Matricial e Vetorial Aspecto Representação Vetorial Representação Matricial Relações espaciais entre objetos Relacionamentos topológicos entre objetos disponíveis Relacionamentos espaciais devem ser inferidos Ligação com banco de dados Facilita associar atributos a elementos gráficos Associa atributos apenas a classes do mapa Análise, Simulação e Modelagem Representação indireta de fenômenos contínuos Álgebra de mapas limitada Representa melhor fenômenos com variação contínua no espaço Simulação e modelagem mais fácil Escalas de trabalho Adequado a qualquer escala + adequado para pequenas escalas (≥ 1:25.000) Algoritmos Problemas com erros geométricos Processamento + rápido e eficiente Armazenamento Por coordenadas (+ eficiente) Por matrizes (+ espaço) Representações de Modelos Numéricos do Terreno – MNT Grade Regular É uma representação matricial onde cada elemento da matriz (pixel) está associado a um valor numérico. Para geração da grade, é necessário estimar, através de interpoladores matemáticos os valores para as células que não possuem medidas de elevação, considerando-se os valores da vizinhança. Malhas Triangulares Também conhecida como TIN (Triangular Irregular Network) é uma estrutura vetorial com topologia Arco-Nó e representa uma superfície através de um conjunto de faces triangulares interligadas. Para cada um dos três vértices do triângulo são armazenados as coordenadas de localização (x, y) e o atributo z, com o valor de elevação ou altitude. Quanto mais equilátero forem os triângulos, maior a exatidão da descrição da superfície. Comparações entre representações de MNT Malhas Triangulares são melhores para representar a variação do terreno, pois capturam a complexidade do relevo sem grande necessidade de dados redundantes. As Grades Regulares tem grande redundância em terrenos uniformes e dificuldade de adaptação a relevos complexos. Os MNT’s também podem ser convertidos para mapas temáticos e para imagens. Malha Triangular Grade Regular Vantagens Melhor representação de relevos complexos Incorporação de restrições, como linha de crista e rios Facilita o manuseio e conversão Adequada para geofísica e visualização 3D Problemas Complexidade de manuseio Inadequada para visualização 3D Má representação de relevos complexos Ruim para o cálculo de declividade Organização de ambiente de trabalho em SIG Existem duas grandes formas de organização: Baseada em um Banco de Dados Geográficos (dBASE); Baseada em Projetos (como o AutoCAD) Nos Bancos de Dados Geográficos o usuário define inicialmente o esquema conceitual associado às entidades que estarão presentes nele, indicando para cada tipo de dados, seus atributos não-espaciais e as representações geométricas associadas. Assim, a definição da estrutura do banco precede a entrada dos dados. Um dBASE pode também ser particionado em projetos, sendo que as definições do esquema conceitual valem para todos os projetos do banco, mesmo que não haja continuidade espacial entre estes projetos. Um Projeto é normalmente composto por um conjunto de níveis, camadas ou planos de informação (PI’s) que podem possuir uma grande variação de números, tipos de formatos e de temas, conforme as necessidades do usuário. Generalização da representação espacial Vista em detalhe suficiente, a superfície da Terra é inimaginavelmente complexa e sua efetiva descrição é impossível. Simplificação da visão de mundo Generalização da representação espacial Em vez de uma descrição sobre todo e qualquer ponto da superfície, descrevemos áreas, atribuindo a elas características uniformes; Identificamos feições no terreno e descrevemos suas características, como se fossem uniformes ou; Limitamos nossa descrição ao que existe em um número finito de pontos amostrais, esperando que estas amostras representem o Todo de modo adequado. Generalização da representação espacial Generalização sobre lugares Neste nível, o grau de generalização dos dados é praticamente inevitável. Para isso existem regras que devem ser consultadas previamente, de modo a saber o que pode ser representado em um mapa de determinada escala. Especificação Cartográfica Generalização da representação espacial Uma especificação cartográfica (terrain nominal: terreno nominal; especificação) define como as feições reais do terreno são selecionadas para sua inclusão no mapa. P.ex.: as regras de uma especificação, podem determinar que para uma escala de 1:100.000 não aparecerão áreas com tamanho inferior a 1 ha. Perda de informação Generalização da representação espacial Entretanto, mesmo sendo substancialmente diferente da realidade observada, o mapa pode ser preciso. Para se compactar dados, geralmente é necessário remover detalhes, de modo a criar visualizações menos confusas e que enfatizem tendências gerais. Regras de Generalizações Generalização da representação espacial McMaster e Shea (1992) identificam as seguintes regras de generalização: Simplificação: supressão de pontos no contorno de um polígono para criar uma forma mais simples; Generalização da representação espacial Suavização: substituição de formas retilíneas e complexas por outras mais suaves; Generalização da representação espacial Agregação: substituição de um grande número de objetos com símbolos distintos por um número menor de novos símbolos; Generalização da representação espacial Refinamento: substituição de um padrão complexo de objetos por uma seleção que preserva a forma geral do padrão. Generalização da representação espacial Colapso: substituição de um objeto de área por uma combinação de objetos de ponto e/ou linha; Generalização da representação espacial Fusão: substituição de diversos objetos do tipo área por um único objeto do tipo área; Generalização da representação espacial Combinação: substituição de diversos objetos do tipo linha por um número menor deles; Generalização da representação espacial Além destas generalizações geométricas, McMaster e Shea (1992) identificam formas de generalização de atributos: Classificação: reclassifica os atributos dos objetos em um número de classes menor; Por Simbologia: que muda a associação de símbolos a objetos. Uma das formas mais comuns de generalização é a Supressão, que é o processo de simplificação de uma linha ou área pela redução do número de pontos na sua representação. Generalização da representação espacial Generalização sobre Propriedades: é um tipo de generalização que combina representações de condições que dizem respeito a um determinado fenômeno espacial. Saúde Exclusão Social Emprego Moradia Medição da Terra e Projeções Cartográficas Vários termos são utilizados para descrever o ato de atribuir localizações à informação: Georreferenciar; Geolocalizar; Geocodificar. Assim, os principais requisitos de uma referência geográfica são: Que ela seja única – uma localização associada a uma dada referência; Que seu significado possa ser compartilhado. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Referências Geográficas Métricas Latitude, Longitude e vários tipos de sistemas de coordenadas Visualização e análise numérica de informações em SIG Medição da Terra e Projeções Cartográficas Sistema Geográfico de Coordenadas: Latitude x Longitude Medição da Terra e Projeções Cartográficas Medição da Terra e Projeções Cartográficas A Latitude e a Longitude definem a localização sobre a superfície da Terra em termos de ângulos em relação a referências bem definidas: meridianos de referência, centro de massa e eixo de rotação. Sistema de Coordenadas Cartesianas: atribui duas coordenadas a cada ponto em uma superfície plana através da medição de distâncias a partir de uma origem paralelas a dois eixos em ângulos retos. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Coordenadas Cartesianas Lat/Long Φ = 2 arctan ey – Π/2 Onde e = 2.71828 Medição da Terra e Projeções Cartográficas Dois conjuntos de dados podem diferir tanto na projeção cartográfica quanto no datum. Portanto, é importante conhecer ambos para cada conjunto de dados. As projeções cartográficas necessariamente distorcem a Terra, mas preservan certas propriedades: Medição da Terra e Projeções Cartográficas Propriedade da Conformidade: assegura que formas de pequenas feições na superfície terrestre sejam preservadas – as escalas na projeção das direções x e y sejam sempre iguais. Útil para navegação, pois uma linha reta traçada sobre o mapa tem uma orientação constante. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Propriedade da Equivalência: assegura que as áreas medidas no mapa estejam sempre na mesma proporção em relação às áreas medidas na superfície terrestre. Útil para vários tipos de análises que envolvam áreas. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Outras formas de se classificar as projeções: Cilíndricas: análogas a envolver um cilindro de papel em torno da Terra, projetando nele as feições da Terra, para então desenrolar o cilindro. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Azimutais ou Planas: análogas ao contato da Terra com uma folha plana de papel. Preocupam-se somente com os azimutes ou as direções de todas as linhas vindas do ponto central da projeção Medição da Terra e Projeções Cartográficas Cônicas: análogas a envolver uma folha de papel na forma de um cone em torno da Terra. conservam as grandezas representadas. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Outros tipos de projeções: Projeção Cilíndrica Equivalente de Peters: nela, as retas perpendiculares aos paralelos e linhas meridianas tem intervalos menores, resultandoem uma significativa deformação no sentido N-S. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Projeções Afiláticas (ou Arbitrárias): não possuem nenhuma das propriedades anteriores, não preservando formas, áreas, ângulos, distâncias ou azimute. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Medição da Terra e Projeções Cartográficas Projeção Conforme de Mercator: aqui, a escala é constante em todas as direções para cada ponto, mas varia de um ponto a outro do mapa, onde os polos estão sujeitos a grandes distorções. Aqui, as quadrículas não guardam a mesma proporção em relação às áreas, mas são todas representadas por ângulos retos. Disto resulta que, quanto mais próximo dos polos, maior é o tamanho das quadrículas e consequentemente, a distorção. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Projeção Conforme de Mercator Medição da Terra e Projeções Cartográficas Projeção Conforme de Mercator Medição da Terra e Projeções Cartográficas O Sistema UTM: Não é uma projeção, mas um sistema da Projeção Transversa de Mercator. Foi elaborada em 1947 para determinar as coordenadas retangulares nas cartas militares em grande escala de todo o mundo. O sistema de medida utilizado é o linear em metros, com valores são sempre números inteiros. Medição da Terra e Projeções Cartográficas Ela parte do pressuposto que o globo terrestre é dividido em 60 fusos, cada um com 6º de longitude, com início no Antimeridiano de Greenwich. Alcança até 80oS e 84oN – Projeção Estereográfica Polar Universal Meridiano Central: X=E 500.000 Equador: Y=N 10.000.000 para o hemisfério sul e 0 para o norte Medição da Terra e Projeções Cartográficas O Sistema UTM: Meridianos e paralelos curvados Medição da Terra e Projeções Cartográficas Existem 60 zonas neste sistema e cada zona corresponde a meio cilindro envolvido ao longo de uma linha específica de longitude. Assim, a Zona 1 se aplica às longitudes de 180oW a 174oW; a Zona 10 se aplica às longitudes de 126oW a 120oW e assim por diante... Os mapas de fusos diferentes não se encaixam nas bordas Medição da Terra e Projeções Cartográficas Existem 60 zonas neste sistema e cada zona corresponde a meio cilindro envolvido ao longo de uma linha específica de longitude. Assim, a Zona 1 se aplica às longitudes de 180oW a 174oW; a Zona 10 se aplica às longitudes de 126oW a 120oW e assim por diante... Os mapas de fusos diferentes não se encaixam nas bordas
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