FUNDAMENTOS DE CARTOGRAFIA PARA GEOPROCESSAMENTO · 2001. 10. 25. · Cartografia Natureza dos dados espaciais 4 Introdução n Geoprocessamento é a área do conhecimento que usa

FUNDAMENTOS DECARTOGRAFIA PARAGEOPROCESSAMENTO

NATUREZA DOS DADOSESPACIAIS

Júlio Cesar Lima d’Alge

Cartografia Natureza dos dados espaciais 2

Natureza dos dados espaciais

n Introdução

n Conceitos de Geodésia

n Sistemas de coordenadas

n Projeções cartográficas

n Transformações geométricas

n Conhecimento da incerteza


Introdução

n Geoprocessamento e áreas afins

(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)


Introdução

n Geoprocessamento é a área doconhecimento que usa técnicasmatemáticas e computacionais paratratar os processos que ocorrem noespaço geográfico.

n Cartografia apresenta um modelo derepresentação de dados para osprocessos que ocorrem no espaçogeográfico.


Introdução

n A primeira aplicação

(fonte: John Snow, 1855)


Introdução

n O que faz especiais os dados espaciais?– Localização: onde está…?

– Condição: como está…?

– Tendência: o que mudou…?

– Roteamento: por onde deve passar…?

– Padrões: qual é a distribuição…?

– Modelos: o que acontece se…?


Conceitos de Geodésia

n Determinação da forma e das dimensõesda Terra

n Geóide– campo da gravidade

– nível médio dos mares

n Terra cartográfica ou superfície dereferência– elipsóide de revolução

– esfera



n Datum planimétrico ou horizontal– superfície de referência posicionada em

relação à Terra real

– conceito mal entendido pela comunidade deusuários de SIG

– causa a variação das coordenadasgeodésicas

n E o que são coordenadas geodésicas?– geodésicas ou geográficas?



n Latitude geodésica– ângulo entre a normal à superfície de

referência (elipsóide ou esfera), no pontoem questão, e o plano do equador.

n Longitude geodésica– ângulo entre o meridiano que passa pelo

ponto e o meridiano origem (Greenwich,por convenção).



n SAD-69– atual datum planimétrico brasileiro– 6.378.160m de raio equatorial– 1/298,25 de achatamento

n Córrego Alegre– antigo datum planimétrico brasileiro– 6.378.388m de raio equatorial– 1/297 de achatamento

n Na prática ambos são atuais!



n Datum planimétrico local– SAD-69, Córrego Alegre, NAD-83, NAD-27

n Datum planimétrico global– WGS-84

n As coordenadas geográficas, naverdade, geodésicas, variam...– menos que 60m entre SAD-69 e Córrego

Alegre;– menos que 100m entre SAD-69 e WGS-84,

no território brasileiro.



n Conclusões:– lembre que a variação das coordenadas

geográficas pode afetar a exatidão de suabase de dados;

– use um SIG que saiba levar em conta essavariação de coordenadas;

– saiba o que está medindo com um receptorGPS;

– tenha cuidado com a documentação dedados compartilhados (importação eexportação).



n Datum altimétrico ou vertical– superfície de referência para a contagem

das altitudes (geóide).

– rede de marégrafos faz medições contínuaspara a determinação do nível médio dosmares.

– adota-se um dos marégrafos como ponto dereferência do datum vertical.

– No Brasil usa-se o marégrafo de Imbituba,em Santa Catarina.


Sistemas de coordenadas

n Algumas razões para estudá-los:– O apontamento de um pixel na tela do

computador devolve ao usuário do SIG ascoordenadas geográficas do ponto.

– A entrada de um mapa via mesadigitalizadora requer uma relação entrecoordenadas de mesa e de mapa.

– Uma imagem geo-referenciada temcoordenadas geográficas associadas àscoordenadas linha e coluna.



(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)



n Coordenadas geodésicas (geográficas?)– figura de referência: esfera ou elipsóide

n Coordenadas geocêntricas terrestres X = R.cos φ.cos λ φ = arcsen (Z/R)Y = R.cos φ.sen λ λ = arctan (Y/X)Z = R.sen φ

(assumindo o modelo esférico)



n Coordenadas polares– desenvolvimento de projeções cônicas

n Coordenadas cartesianas– coordenadas de projeção

x = ρ.cosθ θ = arctg (y/x)y = ρ.senθ ρ = (x2 + y2) 0.5


Projeções cartográficas

n Sistemas de projeção

x = f1(φ,λ) y = f2 (φ,λ)

λ = g1(x,y) φ = g2(x,y)

n Propriedades– conformidade, equivalência, equidistância

n Escolha da projeção– localização, tamanho, forma



n Superfície ou figura de referência– esfera, elipsóide

n Superfície de projeção– plano, cone, cilindro, poliedro

n Posição da superfície de projeção– normal ou equatorial, oblíqua, transversa

n Método de construção– projetivo, analítico, convencional



n Projeções planas ou azimutais– plano tangente ou secante

n estereográfica polar, azimutal de Lambert

n Projeções cônicas– cone tangente ou secante

n cônica de Lambert, cônica de Albers

n Projeções cilíndricas– cilindro tangente ou secante

n UTM, Mercator, Miller



n Projeções conformes ou isogonais– preservam ângulos

n UTM, Mercator, cônica conforme de Lambert

n Projeções equivalentes ou isométricas– preservam áreas

n cônica equivalente de Albers

n Projeções equidistantes– representam distâncias em verdadeira

grandeza ao longo de certas direçõesn cilíndrica equidistante



n Parâmetros das projeções– figura de referência (elipsóide ou esfera)

n datum planimétrico

– paralelo padrão (latitude reduzida)n deformações nulas … verdadeira grandeza

– longitude origem (meridiano central)n posição do eixo Y das coordenadas planas

– latitude origemn posição do eixo X das coordenadas planas

– escala





n Principais projeções no Brasil– UTM (Universal Transverse Mercator)

n cartas topográficas

– Mercatorn cartas náuticas

– Cônica conforme de Lambertn cartas ao milionésimon cartas aeronáuticas

– Policônican mapas temáticosn mapas políticos



n Outras projeções importantes– Cilíndrica equidistante

n apresentação de dados em SIG

n mapas mundi

– Estereográfica polarn substitui a UTM nas regiões polares

– Cônica conforme bipolar oblíquan mapa político das Américas

– Cônica equivalente de Albersn cálculo de área em SIG


Transformações geométricas

n Importância em Geoprocessamento– relações entre os diversos sistemas de

coordenadasn calibração da mesa digitalizadora

n registro de imagens

n registro de dados vetoriais

– suporte geométrico básico às questões demodelagem matemática em SIG



identidade escala

rotação

rotação residual

quebra do paralelismo



n Ortogonal - 3 parâmetrosn rotação, translações

n Similaridade - 4 parâmetrosn rotação, escala, translações

n Afim ortogonal - 5 parâmetrosn rotação, duas escalas, translações

n Afinidade - 6 parâmetrosn rotação, rotação residual, duas escalas, translações

n Polinomiais - ≥ 6 parâmetros



n Transformações geométricas complexassó fazem sentido quando cada um dosseus parâmetros desempenha um certopapel em termos de modelagem.

n Conhecer o que se pretende modelar éfundamental para a escolha adequadade uma transformação geométrica.


Conhecimento da Incerteza

n Exatidão de posicionamento– erro na posição de pontos bem definidos

n Exatidão de atributos– campos (relevo) … valor numérico

– categorias (solo) … certo ou errado

n Consistência lógica e completeza– linhas omitidas ou polígonos não rotulados

– base de dados contém o que deve?

Cartografia Aspectos funcionais 2

Aspectos funcionais

n Introdução

n Modelagem cartográfican álgebra de mapas

n Integração de dados

n Integração com Sensoriamento Remoton correção geométrica de imagens

n Generalização cartográfica


Introdução

n Cartografia vista como um conjunto deferramentas para análise, integração eapresentação de dados.

n Quais processos eminentementecartográficos têm sido incorporados àtecnologia de SIG?

n Quais processos eminentementecartográficos têm sido repensados porcausa da tecnologia de SIG?


Introdução

n Cartografia digital e SIG

– esforços iniciais de automação da produçãocartográfica são anteriores aos primeirosSIG;

– a herança de ferramentas ou processoscartográficos justifica a importância dosmapas em SIG;

– e a influência dos SIG na Cartografia?

n somos todos cartógrafos?


Modelagem cartográfica

n Decomposição de processamentos em

componentes elementares tendo em

vista facilitar e padronizar o uso de SIG.

n Modelos + representações cartográficas

(mapas) = álgebra de mapas = álgebra

geográfica

n Preocupação com o uso dos dados.



n Estrutura básica composta por planosde informação ou mapas– característica específica da área de estudo– identificador– resolução espacial– orientação– zonas ou regiões

n rótulon valorn posições



n Álgebra geográfica– caracterização das operações de

Geoprocessamento

– base conceitual para entendimento de SIG

– linguagem de manipulação e análise

n Propriedades– extensibilidade

– operações sobre objetos complexos

– formalização de operadores?


Álgebra geográfica

Geo-campos Geo-objetos

Álgebra de campos

Álgebra de objetos

objetos = op (campos)

campos = op (objetos)

Propriedades



n Operações sobre campos– Pontuais

n reclassificação, fatiamento, classificação

n operações booleanas e aritméticas

– Locaisn função das variações locais da superfície

n filtragem em imagens, declividade em MNT

– Zonaisn função de uma zona delimitada por outro mapa

n altitude média de cada município do Ceará



n Operações sobre objetos– Restrições sobre atributos

n seleção das cidades de Alagoas com mortalidadeacima de 100%

– Restrições espaciais (relacionamentos)n topológicas

– escolas municipais do bairro Jardim Satélite

n direção– bairros a leste do rio Paraíba

n métricas– hospitais a menos de 2km da via Dutra


Integração de dados

n Sistemas de referência– fusos ou zonas UTM

n criação de vários projetosn extensão de uma zona UTM

– faixas da cônica deLambert 1:1.000.000

n criação de vários projetosn extensão de uma faixa

Lambert

– como proceder no SIG?(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)



n Cobertura dos dados– divisão por folhas do

mapeamento

– divisão por distrito,município ou estado

– divisão por imagem desatélite

– SIG deve ser flexível epermitir várias opções(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)



n Erros inerentes aospróprios dados– polígonos espúrios

n operação de “overlay”n detecção automática?

– ajuste de linhasn erros de digitalizaçãon como digitalização é um

pé no saco a importacãode dados digitais sempreé bem-vinda?(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)


Integração com SR

n Sensoriamento Remoto representa umafonte única de informação atualizadapara um SIG.

n A união da tecnologia e dos conceitos eteorias de Sensoriamento Remoto e SIGpossibilita a criação de sistemas deinformação mais ricos e sofisticados.


Integração com SR

n A não ser em atividades de carátereminentemente emergencial, não fazmais sentido pensar em SensoriamentoRemoto quando se faz uso exclusivo deimagens de satélite.

n A integração de imagens de satélite oufotografias digitais à base de dados deum SIG depende fundamentalmente deuma etapa de correção geométrica.


Correção geométrica

n Importância– eliminação de distorções sistemáticas

– estudos multi-temporais

– integração de dados em SIG

n Requerimentos– conhecimento das distorções existentes

– escolha do modelo matemático adequado

– avaliação e validação de resultados



n Fontes de distorções geométricas (MSS,TM, HRV, AVHRR, WFI)– rotação da Terra (skew)

– distorções panorâmicas (compressão)

– curvatura da Terra (compressão)

– arrastamento da imagem durante umavarredura

– variações de altitude, atitude e velocidadedo satélite



n Transformação geométrica– modelo de correções independentes

– modelo fotogramétrico

– modelo polinomial (registro de imagens)

n Mapeamento inverson Reamostragem (interpolação)

– vizinho mais próximo

– bilinear

– convolução cúbica


Registro de imagens

n Acredita-se que uma transformaçãogeométrica simples possa resolver aquestão de se vincular uma imagem aosistema de referência da base de dadosdo SIG.

n Os parâmetros da transformaçãogeométrica são calculados a partir damedição das coordenadas de pontos decontrole.


Registro de imagens

n A escolha da transformação geométricaapropriada depende basicamente doconhecimento que o usuário tem sobreo nível de correção geométrica da suaimagem.

n A quantidade e a distribuição dospontos de controle sobre a imagem sãofatores preponderantes para um bomregistro.


Generalização cartográfica

n Universalização do conteúdo de umabase de dados espaciais com uma certafinalidade– redução da complexidade

– retenção da exatidão espacial e de atributos

– função da escala ou da resolução espacial?

– modelagem em níveis de abstraçãodiferentes

– comunicação mais eficiente


Generalização cartográfica

(fonte: McMaster, Shea, 1992)


Motivações da generalização

n Seleção e representação simplificada deobjetos através de transformaçõesespaciais e de atributos– construção de bases de dados

– otimização computacional

– aumento de robustez

– derivação de bases de dados

– otimização da comunicação visual


Tipos de generalização

n Sequência de operações de modelagem– generalização de objetos

n seleção de objetos

n conteúdo da base de dados

– generalização orientada à modelagemn simplificação da base de dados

– generalização cartográfican representação gráfica da base de dados

simplificada


Estratégias de generalização

n Orientação por processos– deduções a partir de uma base de dados

detalhada

– explicitação de semântica e contexto

n Orientação por representações– representações múltiplas, multi-escala

– ênfase na eficiência de extração deinformação


Generalização

n Visualização ou modelagem?n Emulação do processo analógico?n Análise espacial?

(fonte: Muehrcke, Muehrcke, 1992)

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