Geo 01 Introdução

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Geoprocessamento em Recursos Hídricos
HIP 23
Walter Collischonn
http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/HIDP_23/HIDP_23.html
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Questões de organização
Questões do horário
Local
Proposta
Diversidade de alunos
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Perfil da turma
Nome
Formação
Onde e com quem trabalha? 
Tema da tese/dissertação
Já trabalha com SIG?
Por que se interessou pela disciplina?
Conhecimento de inglês.
Quais são as expectativas?
Outras informações que julgar...
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Proposta
Disciplina de Geoprocessamento em Recursos Hídricos.
Liberdade para utilizar qualquer software.
Experiência pessoal com Idrisi = algumas aulas com Idrisi (Walter).
Experiência pessoal com o SPRING (Alfonso)
Ênfase em desenvolvimento de ferramentas próprias (FORTRAN, VBA, MATLAB, outras linguagens).
Experiências com software gratuito (TAS)
Avaliação: prova e trabalho
Trabalhos de alto nível = formato de artigos.
http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/HIDP_23/HIDP_23.html
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Súmula original da disciplina
Dados georeferenciados: princípios básicos. 
Sistema de informações geográficas (SIG): princípios básicos, estrutura, principais sistemas em uso, estrutura de dados para um SIG, pontos, linhas, arcos, nós; organização de dados, formatos raster e vetorial. 
Modelo numérico do terreno (MNT) e suas aplicações em Recursos Hídricos: princípios básicos, métodos de interpolação, dados derivados de um MNT.
Métodos de modelagem espacial, integração com dados de sensoriamento remoto, cruzamento de dados.
Aplicações de geoprocessamento a Recursos Hídricos.
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O que é Geoprocessamento?
Um interessante caso histórico.
Definições normalmente adotadas.
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Surto de cólera em Londres
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Surto de cólera em Londres
Poços
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Surto de cólera em Londres
Poços
Vítimas
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O culpado
A alavanca, ou braço para bombear água manualmente do poço foi retirada para impedir a população de consumir água.
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GEOPROCESSAMENTO
Conjunto de ferramentas usadas para coleta e tratamento de informações espaciais, geração de saídas na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc;
 Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise. 
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GEOPROCESSAMENTO X SIGs
Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente).
Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.
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SIG’s - DEFINIÇÕES
Burrough 
“Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real”
Cowen
“Um sistema de suporte à decisão que integra dados referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas”
Smith
“Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”
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SIG’s - DEFINIÇÕES
Oppenshaw
“Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”.
Goodchild
“O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “
Dangerramond
“Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a disponível de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”
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Software SIG
Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa.
A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde.
adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with ArcGIS
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Por que utilizar cartografia computadorizada?
Fazer mapas mais rapidamente.
Fazer mapas mais baratos.
Fazer mapas para usos específicos.
Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de pessoal especializado??
Permitir experimentos com representações espaciais diversas dos mesmos dados.
Facilitar atualização de mapas.
Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística e mapas.
Minimizar a necessidade de mapas em papel.
Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D, mapas estereoscópicos).
Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell
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ESTRUTURA DE UM SIG
Interface
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O que deve existir num SIG?
Mostrar localização de entidades específicas.
Mostrar localização de entidade A em relação ao local B.
Contar o número de ocorrências da entidade A dentro de uma região definida por uma distância máxima ou mínima da entidade B.
Avaliar o valor da função f na posição x.
Calcular o tamanho de B (área, perímetro, número de entidades A no interior).
Permitir operações de união e intersecção.
Permitir encontrar caminhos ótimos entre dois pontos.
Listar os atributos das entidades localizadas em x.
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O que deve existir num SIG?
Determinar que entidades estão próximas às entidades que combinam certos atributos.
Reclassificar entidades que apresentam certa combinação de atributos.
Conhecendo o valor de uma variável z nos pontos x1, x2,... xn, definir o valor de z nos pontos y1, y2,... yn.
Derivar novos atributos a partir de atributos existentes.
Usando a base de dados como uma representação do mundo real, simular o efeito de um processo P ao longo de um período T num determinado cenário S.
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O QUE É UM MAPA ?
Mapa: modelos simplificados da realidade
representa, normalmente em escala, uma seleção de entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).
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PRODUÇÃO DE UM MAPA
Definição de escala e projeção cartográfica
Seleção dos elementos do mundo
Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)
Simplificação de elementos gráficos
Exagero de elementos importantes
Simbologia para apresentar dados
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TIPOS DE MAPAS EM GEOPROCESSAMENTO
Características dos mapas: diversidade de fontes geradoras e de formatos apresentados.
 O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de 
 dados; 
Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso do solo, clima);
Imagens;
Mapas Numéricos (representação de superfícies)
Mapas Cadastrais e Redes (localização de objetos do mundo - e.g. lotes)
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Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos
Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica
Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de processos.
Uso dos recursos hídricos – população
População se distribui no espaço de forma heterogênea e dinâmica.
Interligação SIG + Modelos 
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Mas cuidado!
Os SIG tem um impacto muito grande sobre qualquer área do conhecimento que está ligada ao manejo e análise de dados distribuídos no espaço. Algumas pessoas podem enxergar os SIG como uma mágica, como em: “…os dados foram inseridos no computador e a resposta é …”. A velocidade, consistência e precisão de um SIG são impressionantes, e as figuras podem ser bonitas. Com a experiência, no entanto, o SIG passa a ser uma mera extensão da capacidade de pensar do usuário. O SIG não tem respostas inerentes, somente o usuário. SIG é uma ferramenta, como a estatística e a modelagem hidrológica.
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Bibliografia - Livros
Fundamentos de Sistemas de Informações Geográficas; José Iguelmar Miranda (Embrapa) 2005.
Análise espacial de dados geográficos; Vários autores (EMBRAPA) 2004.
Geoprocessamento em Recursos Hídricos: Princípios, Integração e Aplicações. Carlos André Bulhões Mendes e José Almir Cirilo 2001.
Fundamentos de informação geográfica. João Matos 2001
Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. P. A. Bourrough
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Mais livros
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Bibliografia - Manuais
Tutorial do Idrisi
Tutorial e Help do SPRING
Manuais de outros programas
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Bibliografia - Periódicos
Transactions in GIS
International Journal of Geographical Information Science 
Geographical Analysis 
Computers and Geosciences
PhotogrametricEngineering and Remote Sensing
Remote Sensing and Environment
Environment and Planning B: Planning and Design
Periódicos da área de recursos hídricos (WRR; Journal of Hydrology; Environmental modeling and software; Journal of Hydrologic Engineering; HESS; IAHS; Hydrological Processes...)
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Bibliografia - Web
Página web Geoprocessamento IPH
http://www.spatialanalysisonline.com/output/ Versão web do livro Geospatial Analysis - A compreensive guide to principles, Techniques and Software Tools (2007) de Michael de Smith, Michael Goodchild e Paul Longley.
Tese de doutorado de Michael de Smith - http://www.desmith.com/MJdS/thesis.htm
http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj.html
Bancos de dados gratuitos na internet:
Imagens de satélite
Modelos digitais de elevação
Produtos derivados (Hydrosheds)
Softwares free (TAS, outros)
http://galileu.iph.ufrgs.br/collischonn/HIDP_23/HIDP_23.html
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Tópicos da disciplina
Fundamentos de cartografia 
Técnicas de representação em mapas: Vetor/Raster
Fontes de informação para Geoprocessamento
Digitalização
Sensoriamento remoto – Classificação de imagens de satélite
GPS
Outras informações
Onde encontrar dados
Georeferenciamento
Transformações vetor – raster
Algoritmo point in polygon
Interpoladores espaciais
Ferramentas de análise
Álgebra de mapas
Operadores de distância – distancia, buffers
Operadores de contexto – filtros, direção de fluxo, declividade, contexto, variabilidade local
Combinações de ferramentas
Modelos numéricos de terreno, modelos digitais de terreno, modelos digitais de elevação
Aplicações às bacias hidrográficas
Outros parâmetros derivados do MDE: declividade; orientação da vertente; mapas sombreados
Conhecer ArcGIS / Conhecer Idrisi / Conhecer SPRING
Um pouco de FORTRAN
Programa básico para leitura de arquivo, e visualização de imagens em FORTRAN.
Projeção de coordenadas.
Mosaicos de imagens
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Questões práticas
Acesso a computador?
Acesso a algum software?
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Avaliação
A avaliação será através de uma prova e de um trabalho individual.
Prova
Ver exemplos dos semestres anteriores na web
Trabalho
Idéias de cada aluno
Sugestões do professor
Mais acadêmicos
Mais cotidianos
Formato de artigo (ver revista da ABRH)
Apresentar plano (todos devem perguntar)
Prazo de entrega: a combinar
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Temas para trabalhos
Programar algoritmo PFS para definir direções de fluxo a partir de MDE e comparar com outros métodos em grandes áreas.
Comparação de qualidade do MDE do SRTM com o MDE do ASTER.
Explorar e comparar métodos de classificação de unidades de relevo ou paisagem (Saturation Index; Hand; Ordem da rede de drenagem TAUDEM, TAS)
Explorar relações entre HAND e NDVI
Verificar a validade da relação área volume encontrada nos açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em locais em que ainda não existem açudes.
Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; correlação cruzada; outros interpoladores.
Programar e testar algoritmo de interpolação natural-neighbour para dados pluviométricos.
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Temas para trabalhos
Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo.
Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares.
Construção de modelos Geoidais regionais
Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada.
Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha.
Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples.
Hidrograma unitário geomorfológico usando esquema de Bates (LISFLOOD)
Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador.
Rede de drenagem usando TIN.
Discretização de um modelo hidrológico distribuído em sub-bacias.
Formas inovadoras de apresentação de informações quali-quantitativas em mapas
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Mais temas para trabalhos
Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; outros interpoladores.
Dividir uma área agrícola em lotes com características semelhantes de: solo, acesso água; acesso à estrada; cobertura florestal; áreas propícias para plantio; etc.
Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo. 
Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares. 
Comparação de qualidade do MNT do SRTM. 
Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada. 
Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha. 
Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples. 
Hidrograma unitário geomorfológico. 
Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador. 
Rede de drenagem usando TIN. 
Rede de mínimo custo (por exemplo estradas para extrair madeira de uma floresta. 
Como combinar teoria dos jogos e SIG (problema do trânsito) 
Caminhos de mínimo custo em ambiente dinâmico ou probabilístico (como melhor rota para um veleiro que está sujeito à direção do vento e da corrente, que podem variar durante o tempo de viagem) 
Problema da locação de uma fábrica de celulose, considerando: 1) ponto próximo à água (com vazão suficiente para abastecer); 2) porto fluvial; 3) transporte marítimo, fluvial, terrestre e qualidade de estradas; 4) Área necessária para produzir as toneladas por ano que são necessárias para justificar a fábrica; 5) Tipos de solos x produtividade por hectare; 6) Chuva x produtividade por hectare; 7) Rede viária existente e por construir.
Problema das transformações de distância em ambiente raster: tese de De Smith.
Buscar exemplos em http://www.ltid.inpe.br/sbsr2005/biblioteca/
Continuar trabalhos do semestre anterior.
Remoção de depressões usando as idéias de bacias hidrográficas das depressões (elevar depressões até o ponto mais baixo do divisor de águas) (paper de Arge et al. 2003)
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Sugestão de trabalho: Hidrograma Unitário Geomorfológico baseado nas ordens de Strahler e no modelo de Nash de reservatórios lineares (Rosso, R., 1984 Nash model relation to Horton order ratios. Water Resources Research vol. 20 pp. 914-920. 
Sugestão de trabalho: interpolação co-Kriging de temperaturas no RS com base em dados do Atlas da Fepagro e de MNT.
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Sugestões de trabalhos MINTER
Comparar métodos e programas para preenchimento de depressões e definição de direções de fluxo (continuar trabalho Yuto).
Identificar área acumulada para a qual inicia a rede de drenagem em várias regiões de TO usando Google e SIG.
Comparar Índice de saturação por diferentes métodos.
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Sugestões de trabalhos 2008
Um trabalho interessante pode ser verificar a validade da relação área volume encontrada nos açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em locais em que ainda não existem açudes. Idéia do Rodrigo.
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Sugestões de trabalhos 2009
Modelos baseados em agentes
http://en.wikipedia.org/wiki/Agent-based_model
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Sugestões 2012
Comparar ferramentas TAUDEM disponíveis no MapWindow com ferramentas ArcHydro do ArcGIS
Explorar ferramentas do software INPE TerraHidro
Buscar dados de LIDAR ou Laser Raster de algum local e explorar informação
Programar ferramentas úteis em MapWindow
avaliar o mapa de início de rede de drenagem que a ANA está disponibilizando.
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Sugestões 2013
Desenvolver e testar método de interpolação de dados de chuva pelo método do vizinho natural (baseado em triangulação de Delaunay)
Há motivos para acreditar que este método de interpolação de dados de chuva é melhor do que outros métodos.
Veja página pessoal de John Burkardt (Univ Florida)
Ver Livro de Smith (Geospatial Analysis)
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Sugestões 2013
Testar dados de MDE do ASTER 30 m e comparar com outras fontes de dados em termos de erros gerados em:
Delimitação de bacias
Definição da rede de drenagem
Comprimentos de rios
Volumes de reservatórios
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Sugestões 2013
Programar algoritmo PFS para determinardireções de escoamento e remover depressões em MDE.
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Sugestões 2013
Programar algoritmo de Magalhães para direção de escoamento e remoção de depressões
Alternativa: usar programa feito por Magalhães e comparar com outros.
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Sugestões 2013
Criar método de cálculo de largura de rios baseado em imagens raster.
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Sugestão 2013
Testar capacidades de softwares livres como GVSIG, MapWindow, Quantum GIS, Whitebox para gerar coisas equivalentes ao ArcHydro.
Como usar o Idrisi para gerar coisas semelhantes ao Arc Hydro.
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Sugestões 2013
Modelos baseados em agentes e o hidrograma unitário
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