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QGIS 2.8 + SAGA GIS lgebra de Mapas para Substituio de Pixels

Negativos no MDE Topodata

Jorge Santos

2015

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Contedo

Sumrio

Captulo 1 ......................................................................................................................................... 3 Download e Anlise do Topodata ............................................................................................... 3

1.1. Download do Topodata por Cenas .................................................................................. 3 1.2. Presena de Valores Negativos na imagem .................................................................... 3 1.3. Tipo de Dado Numrico ................................................................................................... 4 1.4. Bits e Bytes ....................................................................................................................... 5 1.5. Tipo de Dado em Sensoriamento Remoto ...................................................................... 5 1.6. Rampa de Cores (8 Bit) .................................................................................................... 6 1.7. Rampa de Cores (16 Bit) .................................................................................................. 6 1.8. Tipo de Dado e Escala do SRTM Topodata ...................................................................... 6

Captulo 2 ......................................................................................................................................... 8 Indicador de Amostragem Min/Max .......................................................................................... 8

2.1. Realce de Contagem Cumulativa ..................................................................................... 8 2.2. Leitura dos Metadados .................................................................................................... 8 2.3. Realce Mnimo/Mximo .................................................................................................. 9

Captulo 3 ....................................................................................................................................... 11 Substituio do Pixel Valor Zero ................................................................................................ 11

3.1. Transformao de Float32 para UInt16 ........................................................................ 11 3.2. O Problema do Pixel Valor Zero no MDE ....................................................................... 12 3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster .................................................................................... 13 3.4. Resultado Final ............................................................................................................... 15

Captulo 4 ....................................................................................................................................... 16 Contatos ..................................................................................................................................... 16

Processamento Digital Geotecnologias e Software Livre ................................................. 16 Competncias ........................................................................................................................ 16

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Captulo 1

Download e Anlise do Topodata

1.1. Download do Topodata por Cenas

Para realizar o download do SRTM Topodata com resoluo espacial de 30 metros, necessrio acessar

o site do SRTM Topodata atravs do seguinte link:

http://www.webmapit.com.br/inpe/topodata/

O Topodata distribudo por cenas ou recortes. No mapa, escolha uma rea de interesse e navegue at

essa localidade. Clique sobre uma folha Topodata e selecione o produto ALTITUDE. Aguarde o download da

imagem e repita esse passo at recobrir a sua localidade com imagens Topodata.

Figura 01. SRTM Topodata. O produto Altitude contm valores de elevao

O Topodata um MDE (Modelo Digital de Elevao) ou DEM (Digital Elevation Model). So dados raster

que possuem valores de altitude armazenados nos pixels da imagem. O recorte do SRTM Topodata por folhas

tem a finalidade de facilitar a distribuio dessas imagens. Aps o download, descompacte as imagens no seu

computador. Neste tutorial, criamos a pasta topodata32 diretamente no drive C: para evitar caminhos muito

longos.

1.2. Presena de Valores Negativos na imagem

A elevao medida a partir do nvel do mar. No MDE, valores menores ou iguais a zero podem ser

utilizados para representar depresses ou corpos dgua na imagem. Em alguns casos, valores negativos podem

representar erros nos dados.

http://www.webmapit.com.br/inpe/topodata/

1.3. Tipo de Dado Numrico 4

Figura 02. Esboo do relevo entre as cidades de Lima (Peru) e Santos (Brasil).

Em algumas situaes, a presena de pixels com valor zero ou negativo no interior da imagem pode

representar um obstculo. No seria um problema encontrar pixels de valor zero em partes relacionadas ao mar,

porm, a representao visual do MDE com buracos pode gerar dvidas na interpretao dos dados. Na

imagem abaixo, podemos visualizar um exemplo de recorte Topodata com pixel valor zero:

Figura 03. Presena de pixels com valor zero no MDE Topodata.

Uma prtica comum em aplicativos para Geoprocessamento consiste em associar o valor zero rea

sem dados (NODATA) para ocultar partes escuras nas bordas da imagem. Este processo geralmente executado

para as bordas. O programa SIG executa o processo em toda extenso do raster. Logo, se h pixel com valor zero

no interior da imagem, ele tambm ser ocultado. Pixel com valor zero no interior do raster pode ser um

problema. Para evita-los, dependendo da aplicao que ser realizada no MDE, voc pode utilizar uma lgebra e

substituir o valor zero pelo valor mais prximo.

Para executar a lgebra corretamente, preciso definir o Tipo de Dado deste arquivo raster.

1.3. Tipo de Dado Numrico

Na computao, para armazenar informao numrica, existem regras especficas. O Tipo de Dado

(Data Type) um princpio matemtico que tem origem na Teoria dos Conjuntos (o Conjunto dos Nmeros

Naturais, o Conjunto dos Nmeros Inteiros, dos Nmeros Reais, Imaginrios, etc.).

1.4. Bits e Bytes 5

Um arquivo raster uma matriz, ou seja, trata-se de estrutura formada por linhas e colunas. A

interseco entre linhas e colunas forma pixels ou clulas. Na estrutura de dados raster, valores numricos so

armazenados em todas as clulas da imagem para representao de um determinado fenmeno do espao

geogrfico. Para a computao, se existe um determinado valor numrico, este nmero precisa ser classificado

de acordo com o Tipo de Dado. Vamos tomar como exemplo a Teoria Geral dos Conjuntos, utilizando a aplicao

do conjunto Z referente ao Conjunto dos Nmeros Inteiros:

Z = {, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, }

Em relao ao Conjunto Z, podemos afirmar que:

O Conjunto Z admite nmeros inteiros, ou seja, no h parte fracionria nos algarismos.

O Conjunto Z admite nmeros sinalizados e no sinalizados, ou seja, nmeros inteiros sinalizados so os nmeros com sinal negativo e nmeros inteiros no sinalizados so os nmeros positivos.

Em relao ao conjunto acima, podemos afirmar que o valor -3 um nmero inteiro sinalizado e o valor 1 um nmero inteiro sem sinal.

Mapas topogrficos, imagens de satlite, fotografias areas ou qualquer outra informao matricial so

tratados no computador (meio digital) como arquivos raster. O Tipo de Dado classifica o formato dos nmeros e a

escala ou intervalo de valores (Range) indica a quantidade total de valores que pode ser armazenada na matriz.

1.4. Bits e Bytes

Nosso sistema de numerao o sistema decimal, pois realizamos a contagem em nmeros em base 10.

No computador, todos os nmeros so escritos em base 2, portanto, a mquina utiliza o sistema binrio

Figura 04. Sistema Binrio, o sistema utilizado na computao.

No Computador:

01 Bit = um caractere (letra, smbolo ou nmero)

08 Bit = 1 Byte ou simplesmente Byte

16 Bit = 2 Bytes

32 Bit = 4 Bytes

64 Bit = 8 Bytes

Nos processos de computador, h certa preocupao com memria e armazenamento. Quanto maior

for o nmero de bits, maior ser o espao necessrio para armazenar dados. Por isso, preciso cautela ao

realizar transformaes entre dados com maior ou menor nmero de bits, pois voc pode acidentalmente perder

informaes ou utilizar um intervalo desnecessrio.

1.5. Tipo de Dado em Sensoriamento Remoto

O princpio do Sensoriamento Remoto extrair informao da radiao eletromagntica e armazenar

essa energia no formato de Nmero Digital (DN = Digital Number). Durante a passagem ou observao do sensor

remoto, diferentes instrumentos imageadores possuem caractersticas prprias para aquisio de informao da

luz. Na tabela abaixo, temos alguns exemplos de satlites artificiais com o total de valores numricos que podem

ser armazenados em cada imagem processada:

1.6. Rampa de Cores (8 Bit) 6

Tipo de Dado Escala Total de Cores Exemplo de Plataforma

Inteiro no Sinalizado de 8 Bit 0 255 256 cores Landsat-5

Inteiro no Sinalizado de 11 Bit 0 2047 2048 cores GeoEye-1 / Ikonos / Quickbird

Inteiro no Sinalizado de 12 Bit 0 4095 4096 cores RapidEye

Inteiro no Sinalizado de 16 Bit 0 65535 65536 cores Landsat-8, SRTM

OBSERVAO: O computador no suporta dados em 11/12 Bit. Produtos dos satlites GeoEye-1, Ikonos,

Quickbird e RapidEye sempre sero entregues na escala compatvel (16 Bit).

1.6. Rampa de Cores (8 Bit)

Totalizam 256 nveis de cinza por banda numa escala que varia de 0 a 255 possibilidades de cinza. O tom

de cinza mais escuro o preto e o tom de cinza mais claro o branco.

Figura 05. Rampa de Cores que simboliza uma escala de 8 Bit (256 Cores).

1.7. Rampa de Cores (16 Bit)

Totalizam 65536 nveis de cinza por banda numa escala que varia de 0 a 65535 possibilidades de cinza.

O tom de cinza mais escuro o preto e o tom de cinza mais claro o branco.

Figura 06. Rampa de Cores que simboliza uma escala de 16 Bit (65536 Cores).

1.8. Tipo de Dado e Escala do SRTM Topodata

O SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) uma imagem de radar utilizada para representar o relevo

global. Cada valor numrico dos pixels que formam esse DEM (Digital Elevation Model) apresenta um valor de

altitude. Assim, se uma determinada regio possui reas com altitude mxima de 1500 metros, possvel

encontrar valores de pixel que variam de 0 a 1500 (considerando a parte inteira dos algarismos).

1.8. Tipo de Dado e Escala do SRTM Topodata 7

O Intervalo dos Dados (Range) pode ser compreendido como um recipiente para armazenamento dos

dados. Geralmente identificamos essa informao nos metadados como Profundidade do Pixel ou Pixel Depth. O

processo de transformao de uma escala para outra conhecido como Converso Radiomtrica ou Rescale.

Escala de 8 Bit: Intervalo que varia de 0 a 255. Considerando o exemplo do SRTM, no seria possvel

armazenar informaes de altitude numa escala de 8 Bit porque essa escala incompatvel com os dados de um

relevo cujo intervalo varia entre 0 e 1500. No Brasil, por exemplo, temos muitas regies que ultrapassam os 255

metros de altitude, portanto, para representar a elevao, precisamos armazenar os dados em outra escala.

Escala de 16 Bit: Intervalo que varia de 0 a 65535. Esta a escala apropriada para armazenar dados do

SRTM, pois em todo o planeta no temos montanhas que ultrapassem a dimenso dessa escala. Alm do SRTM,

todos os operadores de sensores remotos disponibilizam dados nessa escala.

Escala de 32 Bit: Muito utilizada em processos do computador. Geralmente os nmeros so escritos em

Ponto Flutuante 32 Bits ou Float32. Em algumas anlises espaciais, dados em Float podem apresentar resultados

imprecisos. Por esta razo, recomenda-se a converso para inteiro.

O Topodata est escrito no Tipo de Dado Float32 e precisa ser transformado para UInt16 (Inteiro No

Sinalizado de 16 Bit). Aps realizar a transformao para inteiro, podemos substituir os pixels de valor zero.

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Captulo 2

Indicador de Amostragem Min/Max

2.1. Realce de Contagem Cumulativa

O MDE um tipo de imagem que possui uma nica banda. Por padro, para apresentar os valores de

elevao no SIG, O QGIS utiliza um indicador chamado Corte de Contagem Cumulativa. Este indicador de

amostragem til para aplicar um realce no raster, permitindo que a imagem seja visualizada com mais brilho.

Com o realce cumulativo, o analista pode visualizar mais alvos.

Embora seja eficiente na aplicao de realce na imagem, o indicador de Contagem Cumulativa

apresenta um intervalo de altitude que no corresponde realidade do raster. Em seu lugar, devemos utilizar o

indicador Mnimo/Mximo para exibir corretamente o intervalo da elevao. Para ter acesso ao intervalo real

dos pixels no raster de altimetria, voc precisa consultar os metadados da imagem.

2.2. Leitura dos Metadados

Metadados exibem informaes tcnicas do raster. Na folha Topodata 23S465ZN.tif que representa

parte da elevao no litoral de So Paulo, temos seguintes valores na tela do QGIS:

Mnimo: -0.361101 / Mximo: 1101.25

Figura 07. QGIS 2.8: Recorte SRTM Topodata com intervalos Min/Max.

2.3. Realce Mnimo/Mximo 9

Para verificar se estes valores numricos esto corretos, os metadados devem ser consultados. Para ter

acesso, basta consultar as Propriedades do Raster.

Clique na categoria Metadata. Para a camada vetorial 23S465ZN.tif, temos:

STATISTICS_MAXIMUM=1638.0999755859 STATISTICS_MEAN=443.00004317336 STATISTICS_MINIMUM=-3.6445899009705 STATISTICS_STDDEV=404.11824116709

Figura 08. QGIS 2.8: Metadados exibindo os valores Mnimo/Mximo do raster.

Com base nos Metadados do raster, o valor mnimo de pixel para este recorte -3.6445899009705 e, o

maior valor, 1638.0999755859. Perceba que a informao presente no metadado do raster apresenta valores

diferentes da tela principal do QGIS.

Uma representao de mapa raster em ambiente SIG deve considerar o intervalo real dos pixels para

evitar interpretaes equivocadas. Portanto, em todas as situaes, mesmo que haja necessidade de realar o

raster para ampliar a visualizao, o intervalo das clulas que realmente importa para qualquer anlise raster

deve ser expresso atravs do indicador Mnimo/Mximo.

2.3. Realce Mnimo/Mximo

Nas Propriedades do Raster, clique na categoria Estilo. A opo padro Corte de Contagem Cumulativa,

porm, deve ser trocada para Mn/Max. Em seguida, no item Preciso, selecione a opo Real (mais lento) e

pressione o boto Carregar. Os reais valores do intervalo sero exibidos nos campos Min e Max. Estes so os

valores numricos que constam nos metadados.

No item Melhorar Contraste, marque a opo Estender para MinMax e a operao ser concluda.

Pressione o boto OK para retornar janela principal do QGIS.

2.3. Realce Mnimo/Mximo 10

Figura 09. QGIS 2.8: Ordem de aplicao do Indicador Mnimo/Mximo.

No indicador Min/Max, a imagem SRTM ser apresentada sem contraste e o intervalo de valores dos

pixels presentes nos metadados ser exibido no Painel Camadas do programa:

Mnimo: -5.36291 / Mximo: 1650.33

Figura 10. QGIS 2.8: Valores reais do SRTM Topodata.

O valor correto do intervalo que consta nos metadados um valor estimado at o usurio Calcular as

Estatsticas. Para o Topodata, a substituio dos valores negativos dos pixels ser executada em trs passos:

Os valores do Topodata devem ser convertidos de Float32 para UInt16;

Os valores negativos sero substitudos pelo valor zero;

O valor zero ser substitudo pelo nmero inteiro mais prximo.

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Captulo 3

Substituio do Pixel Valor Zero

3.1. Transformao de Float32 para UInt16

MENU RASTER CONVERSO TRADUO (Converter Formato)

1 - Informe as imagens de entrada e sada que sero transformadas de Float32 Bit para Inteiro em 16 Bit:

Figura 11. Arquivos de entrada e sada.

2 Em seguida, mais abaixo, clique no lpis para editar o comando GDAL para inserir um parmetro:

Figura 12. Edio do comando GDAL para acrescentar parmetros.

3 - Cole o parmetro abaixo no comando aps o parmetro de sada -of GTiff.

-ot UInt16 -co TFW=YES

Veja a demonstrao:

ANTES gdal_translate -of GTiff C:/RasterCalculator/23S465ZN.tif C:/RasterCalculator/23S465ZN16.tif

DEPOIS gdal_translate -of GTiff -ot UInt16 -co TFW=YES C:/RasterCalculator/23S465ZN.tif C:/RasterCalculator/23S465ZN16.tif

3.2. O Problema do Pixel Valor Zero no MDE 12

Figura 13. Parmetros GDAL para converso de Float32 para UInt16.

Clique em OK para executar o comando (no clique no lpis para sair da edio do comando). A nova

imagem em 16 Bit com os valores MIN/MAX apresenta a parte inteira dos valores numricos:

Figura 14. Tipo de Dado Inteiro No Sinalizado de 16 Bit.

3.2. O Problema do Pixel Valor Zero no MDE

Acesse as Propriedades do Raster. Na categoria Transparncia, procure o campo chamado Sem Valores de Dados Adicionais. Digite o nmero 0 e clique no boto OK:

Figura 15. Recurso para ocultar o pixel valor zero no MDE.

3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster 13

Ao ocultar o pixel zero no raster, esta a visualizao do problema que este tutorial pretende resolver:

Figura 16. O problema do pixel valor zero no MDE.

Para solucionar este problema, devemos substituir o pixel valor zero pelo valor mais prximo.

3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster

Acesse o painel Processar e clique no provedor SAGA GIS. Certifique-se de habilitar a Interface Avanada do painel (Advanced Interface). O recurso que estamos procurando a Calculadora Raster (Raster Calculator):

Grid Calculus Raster Calculator

Figura 17. A Calculadora Raster do SAGA GIS.

3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster 14

A Calculadora Raster permite realizar operaes em arquivos raster atravs de expresses. A operao

que vamos utilizar para trocar os valores dos pixels uma operao condicional.

Basicamente, iremos construir a seguinte sentena:

Digite a seguinte sentena no campo Formula da Calculadora Raster do SAGA GIS:

ifelse(a=0, 1, a)

Selecione o raster que ser processado, indique o Tipo de Dado como Unsigned 2 Byte Integer (ver tpicos anteriores) e selecione um local do computador para salvar o novo arquivo:

Figura 18. A Calculadora Raster do SAGA GIS.

Execute o processo e modifique o realce do raster para Min/Max seguindo as recomendaes da Unidade 2 deste documento. Os reais valores do intervalo sero exibidos e o problema com os pixels valor zero sero solucionados permanentemente.

Se O valor do pixel no raster a for igual a zero,

Ento Substituir pixel valor zero pelo valor pixel valor um;

Caso Contrrio Manter os valores dos pixels presentes no raster a.

3.4. Resultado Final 15

3.4. Resultado Final

Raster Topodata com pixel valor zero substitudo pelo pixel valor 1:

Figura 19. Imagem final com a substituio do pixel valor zero.

A partir de agora, voc pode aplicar estilos ao seu MDE e recort-lo sem prejudicar a rea sem dados (NODATA). Este recurso tambm pode ser aplicado em bandas separadas de uma imagem de satlite, porm, a substituio de pixel valor zero deve ser executada para cada banda.

Figura 20. Representao topogrfica atravs do MDE Topodata.

Processamento Digital Geotecnologias e Software Livre 16

Captulo 4

Contatos

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