EngEnhArIA CaRToGRáFiCa Cartografia I 2º ano Introdução ... · Representação computacional do espaço geográfico => dados Modelagem => modelo, molde, forma, modo de representar

EngEnhArIA CaRToGRáFiCa

Cartografia I – 2º ano

Introdução aos Sistemas de Informações

Geográficas - Parte I

Prof. João Fernando Custodio da Silva

Mariana Dias Chaves

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/

Conteúdo da aula

• Parte I

– Introdução

– História

– Conceitos

– Estrutura de Dados

– Sistema de Banco de Dados (SBD)

• Parte II

– MNT e TIN

Introdução

• Visão geral

• Conceitos de SIG e Geoprocessamento

Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

Sistema Informação Geográfica

SIG

Geographic Information System

GIS


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


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.

História

• Origem Institucional

• Primeiros passos tecnológicos

• Início da modelagem matemática

• Primeiros sinais do crescimento

• SIG no Brasil

• O INPE e o SIG

• 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)


Origem institucional

• 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

• 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.


Início da modelagem matemática

• 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.


Primeiros sinais do crescimento

• 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.


SIG no Brasil

• 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).


O INPE e o SIG

• 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.


Conceitos

• Conceito de SIG

• Informação

• Sistema

• Dado geográfico

• Estrutura

• Elementos

• Limites da representação

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


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.


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.


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).


Dados de terreno

Dados de imagens

Pessoal

Hardwares e softwares

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 .


Informação x Decisão x Ação

Quando possui como um de seus atributos ou propriedades

intrínsecas, a componente posicional em relação ao referencial

geográfico ou espacial considerado.


Quando um dado é geográfico?

Estrutura de um SIG:

• PESSOAS

• HARDWARE

• SOFTWARE

• DADOS

• MÉTODOS



Elementos de um SIG:

• FEIÇÕES: entidades; abstrações da realidade

• ATRIBUTOS: dados, características

• FUNÇÕES: processos modificadores dos atributos

• RELAÇÕES: entre feições; topologia

Representação Espacial


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

Estruturas de dados

• Estruturas vetoriais

• Estruturas matriciais

• Comparação de formatos

• Conversão de formatos


A estrutura dos dados remete a diferentes maneiras de

armazenamento e representação dos mesmos:

Vetorial

Ponto

Linha

Área/Polígono

Rede

Matricial

Células



Representação vetorial: associar coordenadas 2D às feições geográficas.

Estruturas Vetoriais


Estrutura de dados Vetoriais

Pontos Linhas Polígonos


Estrutura de uma matriz

Resolução

Célula


Comparando formatos

Matriz: maior variação de dados e bordas menos precisas.

Falta de dados é facilmente identificada.

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


Conversão entre modelos vetoriais e matriciais

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.


Matriz Vetor

SBD

• Banco de dados

• Banco de dados convencionais

• SBD

• Componentes


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)


Banco de dados


• 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


• 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


• 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)?


Componentes de um SBD:

• DADOS

• HARDWARE

• SOFTWARE

• USUÁRIOS

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

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.

EngEnhArIA CaRToGRáFiCa

Cartografia I – 2º ano

Introdução aos Sistemas de Informações

Geográficas - Parte II

Prof. João Fernando Custodio da Silva

Mariana Dias Chaves

Conteúdo da aula

• Introdução

– Dados cotados e isolinhas

• Estrutura de Dados: representação de MNT

– Processo de modelagem

– TIN

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

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)


MNT = MDT = DTM

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

...


Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

a) pontos cotados b) isolinhas


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


Grade regular Grade irregular (TIN)

Grade irregular (TIN)

• conexão entre amostras

(pontos)

Grade regular

• elemento com espaçamento

fixo (regular).


Grade regular Grade irregular

Pontos da grade

Pontos da amostra


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


Grade regular Grade irregular (TIN)

- Malha regular

interpolação (método do vizinho mais próximo)

- Malhar irregular

triangulação (Delaunay)


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.


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

• Interpolação a partir de pontos:

– Vizinho mais próximo

– Média simples



Exemplo: estações de medida de temperatura (°C)

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


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

mais próximo.


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

todos os pontos.

• Utilidades da interpolação:

– Transformar dados vetoriais em matriciais

– Modificar detalhes de imagens vetoriais para comparação de mapas

– Auxiliar no processo de decisão espacial


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)


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.


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

as características topográficas da superfície.


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


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

e (b) Triangulação com restrição.


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

Realidade

Amostragem

Modelagem (MNT)

Aplicação

Dados de entrada

Pontos 3D

Isolinhas

Criação de estruturas (grades) Regulares

Irregulares (TIN)

Projeção Imagens

Contornos Volumes

...

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

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