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EngEnhArIA CaRToGRáFiCa Cartografia I 2º ano Introdução aos Sistemas de Informações Geográficas - Parte I Prof. João Fernando Custodio da Silva Mariana Dias Chaves

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EngEnhArIA CaRToGRáFiCa

Cartografia I – 2º ano

Introdução aos Sistemas de Informações

Geográficas - Parte I

Prof. João Fernando Custodio da Silva

Mariana Dias Chaves

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ALVES, W. P. Fundamentos de bancos de dados. Érika. São

Paulo, 2004 p. 382. Base Athena: 519.7 A482f.

SILVA, A. B. Sistema de informações georreferenciadas.

Campinas: Ed. UNICAMP, 1999.Base Athena: 623.72 S578s e.2

Gilberto Câmara – http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro/introd/

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Conteúdo da aula

• Parte I

– Introdução

– História

– Conceitos

– Estrutura de Dados

– Sistema de Banco de Dados (SBD)

• Parte II

– MNT e TIN

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Introdução

• Visão geral

• Conceitos de SIG e Geoprocessamento

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Sistema Informação Geográfica

SIG

Geographic Information System

GIS

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

A coleta das informações sobre a distribuição geográfica de recursos

minerais, propriedades, animais e plantas sempre foi uma parte importante

das atividades das sociedades organizadas.

Documentos e mapas em papel

Com a tecnologia

Armazenar e representar tais informações em

ambiente computacional

- aparecimento do geoprocessamento

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Geoprocessamento é o conjunto de ferramentas que utilizam

representações computacionais do espaço geográfico para modelar

e analisar fenômenos espaço-temporais.

SIG é o „sistema‟ que materializa os conceitos do

geoprocessamento

Ferramentas => software, operação sobre os dados e outros elementos

Representação computacional do espaço geográfico => dados

Modelagem => modelo, molde, forma, modo de representar

Análise => decomposição do todo, estudo das partes

Síntese => recomposição do todo, a partir das partes analisadas

Sistema: conjunto organizado de coisas ou partes que formam um todo

complexo ou unitário.

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História

• Origem Institucional

• Primeiros passos tecnológicos

• Início da modelagem matemática

• Primeiros sinais do crescimento

• SIG no Brasil

• O INPE e o SIG

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• Anos 60: surgem os primeiros SIGs, no Canadá

– Roger Tomlinson (Pai do SIG).

– Parte de programa governamental para criar inventário de recursos naturais.

• Eram muito difíceis de usar:

– não existiam monitores gráficos de alta resolução

– os computadores necessários eram muito grandes e caros

– armazenamento e velocidade de processamento baixas (main

frames)

– a mão de obra rara e cara

– não existiam soluções comerciais prontas para uso

– interessado desenvolvia os próprios programas (tempo e dinheiro)

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Origem institucional

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• Anos 70 (mini computadores):

– novos recursos de hardware - desenvolvimento de sistemas

comerciais.

– criada expressão Geographic Information System (GIS).

– sistemas comerciais de CAD (Computer Aided Design, ou projeto

assistido por computador).

– melhoraram as condições para a produção de desenhos e plantas

para engenharia.

– serviram de base para os primeiros sistemas de cartografia

automatizada.

História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Primeiros passos tecnológicos

Introdução

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• Anos 70: fundamentos matemáticos voltados para a cartografia,

incluindo questões de geometria computacional.

• Devido aos custos e a que estes proto-sistemas ainda utilizarem

exclusivamente computadores de grande porte, apenas grandes

organizações tinham acesso à tecnologia.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Início da modelagem matemática

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• Anos 80: período que a tecnologia SIG acelera o crescimento que dura até os dias de hoje.

• Até então, limitados pelo alto custo do hardware e pela pouca quantidade de pesquisa específica sobre o tema, os SIGs se beneficiaram do avanço e massificação da microinformática e da criação de centros de estudos sobre o assunto.

• Anos 90: Processador Intel 32 bits (1992).

– Com ele os programadores puderam fazer amplo endereçamento da memória e as imagens raster puderam ser processadas e analisadas por inteiro.

• Anos 2000 e seguinte: Processador 64 bits.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Primeiros sinais do crescimento

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• Início dos anos 80: a partir do esforço de divulgação e formação de

pessoal feito pelo Prof. Jorge Xavier da Silva (UFRJ).

• 1982: vinda ao Brasil de Roger Tomlinson, responsável pela criação

do primeiro SIG (o Canadian Geographical Information System),

incentivou o aparecimento de vários grupos interessados em

desenvolver tecnologia.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

SIG no Brasil

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• 1994: O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), estabeleceu um grupo específico para o desenvolvimento de tecnologia de geoprocessamento e sensoriamento remoto (a Divisão de Processamento de Imagens - DPI).

• De 1984 a 1990: a DPI desenvolveu o SITIM (Sistema de Tratamento de Imagens) e o SGI (Sistema Geográfico de Informações)

• A partir de 1991: o SPRING (Sistema para Processamento de Informações Geográficas).

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

O INPE e o SIG

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• O SPRING unificou o

tratamento de imagens de SR

(ópticas e microondas), mapas

temáticos, mapas cadastrais,

redes e modelos numéricos de

terreno.

• A partir de 1997, o SPRING

passou a ser distribuído

gratuitamente na Internet.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

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Conceitos

• Conceito de SIG

• Informação

• Sistema

• Dado geográfico

• Estrutura

• Elementos

• Limites da representação

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Uma vez um prefeito fez a seguinte pergunta:

- “Por que investir em Cartografia e implantar um SIG se todas as

informações da cidade já estão no Google Earth?”

O que você responderia?

Não adianta ter acesso a um grande conjunto de informações se

elas não estão organizadas de forma a otimizar os processos da

instituição... E em muitos casos não estão visíveis.

Construindo o conceito de SIG

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

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Informação: Conjunto de

dados que possui um

determinado significado para

um uso ou aplicação em

particular.

É agregado ao dado

um componente adicional : a

interpretação.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Informação

Qual é a diferença de Dado e Informação?

Dado: Conjunto de valores

numéricos ou não que

corresponde à descrição de

fatos do mundo real.

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Conceito de sistema:

Grandes quantidades de dados e informações não geram

necessariamente conhecimento.

É preciso também um projeto, uma ideia de organização e

integração das informações sob uma estratégia e um sistema, e é

igualmente necessária a aplicação do trabalho humano sobre elas para

se chegar ao conhecimento (produto desejado).

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Dados de terreno

Dados de imagens

Pessoal

Hardwares e softwares

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Toda ação depende de uma decisão, que depende de informação.

As tecnologias do geoprocessamento são ferramentas fundamentais para

o suporte no processo de tomada de decisão .

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Informação x Decisão x Ação

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Quando possui como um de seus atributos ou propriedades

intrínsecas, a componente posicional em relação ao referencial

geográfico ou espacial considerado.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Quando um dado é geográfico?

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Estrutura de um SIG:

• PESSOAS

• HARDWARE

• SOFTWARE

• DADOS

• MÉTODOS

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Elementos de um SIG:

• FEIÇÕES: entidades; abstrações da realidade

• ATRIBUTOS: dados, características

• FUNÇÕES: processos modificadores dos atributos

• RELAÇÕES: entre feições; topologia

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Representação Espacial

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Limites da representação

• Limites da atual geração de SIG

– Modelos estáticos da realidade

• Desafio para os SIGs

– Transformar sistemas estáticos em ferramentas de modelagem

dos processos espaços-temporais (dinâmicos)

• Dificuldades

– Mundo real x representação computacional

– Modelos realistas de processos físicos e socioeconômicos

– Visualização x apresentação espaço-temporal

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Estruturas de dados

• Estruturas vetoriais

• Estruturas matriciais

• Comparação de formatos

• Conversão de formatos

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

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A estrutura dos dados remete a diferentes maneiras de

armazenamento e representação dos mesmos:

Vetorial

Ponto

Linha

Área/Polígono

Rede

Matricial

Células

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Representação vetorial: associar coordenadas 2D às feições geográficas.

Estruturas Vetoriais

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Estrutura de dados Vetoriais

Pontos Linhas Polígonos

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Estrutura de uma matriz

Resolução

Célula

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Comparando formatos

Matriz: maior variação de dados e bordas menos precisas.

Falta de dados é facilmente identificada.

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SIG realiza a conversão. Alguns problemas esperados:

• Vetor matriz: perde a precisão do vetor

• Matriz vetor: perde a variação dos dados

• Matriz vetor (polígonos): distorções nas bordas

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Conversão entre modelos vetoriais e matriciais

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Cada formato tem capacidades únicas e também limitações.

Um formato não é melhor que o outro.

Formatos apropriados para diferentes tipos de análise.

Deve-se usar ambos formatos quando apropriado.

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Matriz Vetor

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SBD

• Banco de dados

• Banco de dados convencionais

• SBD

• Componentes

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

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Conjunto ou coleção de dados inter-relacionados de um determinado

domínio.

Podemos compreender como dados os objetos conhecidos que podem

ser armazenados e que possuem um significado implícito.

Ex.: banco de dados geográficos (BDG)

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Banco de dados

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

• Características:

– Pode ser atualizado manualmente ou de maneira automática via

computador.

– Ex.: livros que estão disponíveis na biblioteca.

– Os dados têm um propósito específico.

Banco de dados

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

• Características:

– Vários arquivos, diferentes programas para recuperar

informações

• Desvantagens:

– Redundância e inconsistência de dados

– Dificuldade de acessar informação (programa pode não estar

disponível)

– Anomalias de acesso concorrente (multiusuários)

– Problemas de segurança e integridade

– Isolamento de dados

Bancos de Dados Convencionais

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

• SBD gerencia os dados geográficos contidos no SIG.

• SBD tradicionais foram estendidos para dar suporte aos dados

espaciais.

Por que estudar Sistemas de Banco de Dados (SBD)?

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Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Componentes de um SBD:

• DADOS

• HARDWARE

• SOFTWARE

• USUÁRIOS

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Resumo da Parte I

• Introdução GIS/SIG e Geoprocessamento

• História Origem do SIG e SIG no Brasil

• Conceitos SIG e o Conhecimento

• Estrutura de dados: matriz e vetores

• Importância dos SBDs

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Conclusão I

SIG é “sistema” baseado na interação software, hardware, pessoas e

informações espaciais (geográficas) com o propósito de criar, editar,

pesquisar, analisar e apresentar as informações geográficas.

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EngEnhArIA CaRToGRáFiCa

Cartografia I – 2º ano

Introdução aos Sistemas de Informações

Geográficas - Parte II

Prof. João Fernando Custodio da Silva

Mariana Dias Chaves

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Conteúdo da aula

• Introdução

– Dados cotados e isolinhas

• Estrutura de Dados: representação de MNT

– Processo de modelagem

– TIN

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As estruturas vetoriais são utilizadas em três tipos de representação:

– Conjunto de amostras de pares ordenados (x,y,z), onde (x,y) e uma

localização no plano e z um valor numérico de atributo (no caso,

altitude).

– Conjunto de isolinhas (curvas de nível)

– TIN (Triangular Irregular Network): malha/rede/grade de triângulos

irregulares ou malha irregular triangular

Estrutura de Dados: representação de MNT

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Um MNT descreve (discretiza) a variação espacial contínua de uma

grandeza (altitude) de uma região.

Um modo de representação tridimensional do terreno.

Modelo Numérico de Terreno (MNT)

Estrutura de Dados: representação de MNT

MNT = MDT = DTM

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Realidade (relevo é contínuo: infinitos pontos)

Amostragem

Modelagem (MNT)

Aplicação

Dados de entrada

Pontos 3D

Isolinhas

Criação de estruturas (grades) Regulares

Irregulares (TIN)

Projeção Imagens

Contornos Volumes

...

Estrutura de Dados: representação de MNT

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Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

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a) pontos cotados b) isolinhas

Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

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1. Aquisição dos elementos da amostra ou amostragem

Geração de modelos

Após a geração do modelo, diversas aplicações podem ser feitas.

2 etapas

2. Geração do modelo por triangulação ou interpolação

Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

Grade regular Grade irregular (TIN)

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Grade irregular (TIN)

• conexão entre amostras

(pontos)

Grade regular

• elemento com espaçamento

fixo (regular).

Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

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Grade regular Grade irregular

Pontos da grade

Pontos da amostra

Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

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1. Aquisição dos elementos da amostra ou amostragem

Geração de modelos

Após a geração do modelo, diversas aplicações podem ser feitas.

2 etapas

2. Geração do modelo por triangulação ou interpolação

Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

Grade regular Grade irregular (TIN)

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- Malha regular

interpolação (método do vizinho mais próximo)

- Malhar irregular

triangulação (Delaunay)

Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

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INTERPOLAÇÃO

Operação pela qual, conhecidos os valores de uma função

correspondentes a certos valores da variável, se determinam os que

correspondem a outros valores da mesma variável.

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A interpolação pode ser feita a partir de pontos, linhas e polígonos.

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• Interpolação a partir de pontos:

– Vizinho mais próximo

– Média simples

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Exemplo: estações de medida de temperatura (°C)

Como estimar o valor para a estação que não possui valor disponível?

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Método de Interpolação Vizinho mais próximo: Usando o valor do ponto

mais próximo.

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Método de Interpolação Média simples : Usando o valor da média de

todos os pontos.

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• Utilidades da interpolação:

– Transformar dados vetoriais em matriciais

– Modificar detalhes de imagens vetoriais para comparação de mapas

– Auxiliar no processo de decisão espacial

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Uma rede de triângulos irregulares é formada pela conexão dos

elementos do conjunto amostral.

A rigor existem variadas possibilidades de produzir uma malha

com um grande conjunto de pontos.

Nesse caso a superfície produzida não necessita de interpolação

de valores observados.

Malha Triangular Irregular (TIN)

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Critério: maximização dos ângulos mínimos

Triangulação de Delaunay

Com esse critério é

possível reduzir para

uma menor combinação

possível de triângulos.

Esse critério equivale a

geração de triângulos

mais aproximados de

equiláteros.

Evita ângulos afinados.

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Transformação da triangulação de Delaunay, de (a) para (b), para manter

as características topográficas da superfície.

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1. Podem ser incluídas linhas que representam máximos ou mínimos da

superfície.

Restrições

2. Relevo topográfico é caracterizado por divisores de água onde pode

ocorrer uma linha de máximo e drenagem que caracterizem valores

mínimos.

A triangulação é feita a partir dessas linhas

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Evitando problema de criação de patamares: (a) Triangulação de Delaunay

e (b) Triangulação com restrição.

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GRADE

CARACTERÍSTICAS

REGULAR IRREGULAR (TIN)

Regularidade na distribuição

espacial dos vértices Sim Não

Como os vértices são

estimados

Retângulos: a partir

das amostras

(interpolação)

Triângulos:

pertencem ao

conjunto amostral

Representação de superfícies

com grandes variações locais Apresenta problemas

Apresenta boa

solução

Estrutura de dados Simples Complexa

Aplicação Qualitativas Quantitativas

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Realidade

Amostragem

Modelagem (MNT)

Aplicação

Dados de entrada

Pontos 3D

Isolinhas

Criação de estruturas (grades) Regulares

Irregulares (TIN)

Projeção Imagens

Contornos Volumes

...

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Resumo da aula

• Processo de modelagem MNT

• TIN

• Comparação entre as grades regular e irregular (TIN)

• Um exemplo muito simples de análise de relevo em ambiente SIG.

• ... E fim do curso de Cartografia I