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Sistemas de Informações Geográficas e
Geoprocessamento
Parte 1- ConceitosParte 2- Recursos de Análise e Aplicações
EYMAR S.S. LOPES - [email protected]
PARTE 1DefiniçõesDefiniçõesModelagem de dados espaciaisModelagem cartográfica
Introdução
• Por que Geoprocessamento? – Porque trabalha-se com informações que possuem uma
componente geográfica, ou seja, estão localizadas em algum ponto da superfícies terrestre
“Se ONDE é importante para seu negócio, Geoprocessamento é sua ferramenta de
trabalho”
Introdução
• Um sociólogo deseja entender e quantificar o
fenômeno da exclusão social numa grande cidade
brasileira
• Um ecólogo deseja compreender os remanescentes
florestais da Mata Atlântica, através do conceito de
fragmento típico de Ecologia da Paisagem
• Um geólogo pretende determinar a distribuição de
um mineral numa área de prospecção, a partir de um
conjunto de amostras de campo
Geoprocessamento* :Uma Definição
Um conjunto de ferramentas voltadas a coleta, manipulação, armazenamento e recuperação de
dados espaciais para um objetivo específico.
* Como Sis tema:Sistema destinado ao processamento de dados
referenciados geograficamente, envolvendo desde a sua coleta até a geração de saídas na forma de mapas convencionais, relatórios, arquivos digitais, etc; devendo prever recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.
Geoprocessamento
Três vis ões como s is tema
• Produção de mapas- Geração e vis ualização de dados
es pac iais
• Banco de dados espaciais- Armazenamento e recuperação de
.informação es pacial e tabular
• Análise espacial- .Combinação de informações es pac iais
S C O T L A N D
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NORTH YORKSHIRE
LANCASHIRE WEST YORKSHIRE
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WARWICK- SHIRE
LEICESTERSHIRE
HEREFORD ANDWORCESTER
NORFOLK
SUFFOLK
CAMBRIDGE- SHIRE
ESSEX
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1 2
3
1. WEST GLAMORGAN2. MID GLAMORGAN3. SOUTH GLAMORGAN
OX
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KENT
EASTSUSSEX
WESTSUSSEX
SURREY
BERKSHIRE
HAMPSHIRE
ISLE OF WIGHT
DORSET
WILTSHIREAVON
SOMERSET
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CLEVELAND
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NORTH-HAMPTON-
SHIRE
GLOUCESTER- SHIRE
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ATLANTIC OCEAN
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Bristol Trowbridge
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Bedford
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Chelmsford
Maidstone
LewesChichester
Winchester
Dorchester
Taunton
Exeter
Truro
Newport
Douglas
Reading
KingstonuponThames
Lincoln
Ipswich
London
War-wick
NOTE:COUNTYMIDGLAMORGANNORTHUMBERLANDSURREY
Administrative CenterCardiffNewcastle upon TyneKingston
N
0 604020
604020
10
0 10
80 MI.
80 KM
ENGLAND AND WALES
Country Capital
Administrative Center
Geoprocessamento
– TECNOLOGIAS RELACIONADAS
CARTOGRAFIA COMPUTAÇÃO GRÁFICA (cad) DBMS OU SGBD SENSORIAMENTO REMOTO INTELIGĘNCIA ARTIFICIAL ESTATÍSTICA INFORMÁTICA
GeoprocessamentoO que há de especial com dados espaciais ?
• Localização geográfica–representar a superfície terrestre–relação espacial com outros dados–Armazenada em
•Sistema de arq. Convencionais•Bancos de dados objeto-relacionais
• Atributos des critivo–descrevem o fenômeno–representados num banco de dados
convencional
GeoprocessamentoO que há de especial com dados espaciais ?
• Correlação espacial–vizinhança - esperamos encontrar semelhantes
• Correlação entre variáveis–processos de formação e ocupação do espaço
• Correlação temporal–evolução dos dados espaciais
• Correlação topológica–relações espaciais entre dados
Geoprocessamento X SIG
• SIG é o sistema computacional que materializa os conceitos do geoprocessamento - capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.
• Outros sistemas de geoprocessamento:– AM (Automated Mapping)
– CAM (Computer Assisted Mapping)
Sistemas de Informação Geográfica
• Ambiente computacional para Geoprocessamento
• Integrar dados cartográficos, cadastrais, de sensores remotos, redes e modelos numéricos de terreno.
• Consultar, recuperar, visualizar, manipular e plotar o conteúdo de um banco de dados georeferenciado.
Estrutura de um SIG
Interface
Consulta e Análise Espacial
Entrada e Integr.Dados
VisualizaçãoPlotagem
Gerência Dados Espaciais
Banco de DadosGeográfico
Componentes de um SIG
• Hardware
• Software (programas aplicativos)
• Dados geográficos (mapas)
• Atributos descritivos
• Pessoas
SIG x CAD
• CAD: captura dados analógicos em formato digital– coordenadas de papel– regularidades nos objetos– desenhos sem atributos
• SIG: captura dados localizados na superfície da terra– projeções cartográficas– topologia do espaço– atributos descritivos
Angola
África do Sul
PARTE 1Definições
Modelagem de dados es pac iais Modelagem de dados es pac iaisModelagem cartográfica
O que é um mapa ?
• Mapa: modelos simplificados da realidade • 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
Representações Computacionais do Espaço
• Objetos– Regiões poligonais
• “Topografias”– Superfícies– Imagens
Percepções do Espaço
Espaço como uma subdivisão planar
Espaço como uma superfície contínua
Percepções do Espaço
Espaço como uma superfície de decisão
Percepções do Espaço
Espaço como Clusters de Eventos
Percepções do Espaço
Espaço como um conjunto de células em evolução
Modelagem em Geoprocessamento
• Níveis de abstração• Mundo real: lotes, rios, terreno, precipitação• Conceitual: campos e objetos• Representação: matrizes x vetores• Implementação: R-trees, quad-trees
Mundo real
Universo Universo
Conceitual Represent. Implement.
Universo Universo
interface usuário
Universo do Mundo RealMapas Temáticos
• Distribuição espacial qualitativa de grandeza
• Domínio do atributo:–nominal: lista de valores
•mapa pedológico: {Ls, Li, Aq, Le}
–ordinal: escala de medida•mapa de classes de declividade: {0-5%, 5-10%, >30%}
Universo do Mundo RealMapas Numéricos (MNT)
• Distribuição espacial quantitativa da grandeza em estudo
• Domínio do atributo–intervalo: referência arbitrária
• altimetria, batimetria• temperatura em graus Celsius
–razão: referência natural• peso, distância• temperatura em graus Kelvin
Universo do Mundo Real Mapas Cadastrais
• Mapa contendo objetos geográficos individuais• Ex: mapas de países, lotes, propriedades rurais
PaísPIB
(Us$ bn)Pop
(milhões)
Argentina
Brasil 350
295 34
159
Chile 45 14
Universo do Mundo Real Mapas de Rede
• Mapas de objetos com topologia arco-nó–utilizado para redes conectadas
Hospital
p. 92-17-63
tr. 1567primária
Sub-estação
p 92-17-64
secun.cons. 019351
Universo do Mundo Real Imagens de Sensores Remotos
• Fontes: satélites, fotografias aéreas, radar
• Elemento de imagem (“pixel”) – proporcional à energia
eletromagnética refletida ou emitida por área da superfície terrestre
• CARACTERÍSTICAS IMPORTANTESCARACTERÍSTICAS IMPORTANTES● re solução e spe ctral ;re solução e spe ctral ;
● re solução e spacial ;re solução e spacial ;
● re solução te mporal;re solução te mporal;
● re solução radiomé tricare solução radiomé trica. .
Imagens - Aquisição de Informação
Radiação eletro-magnética
Espectro eletromagnético
Comportamento Espectral de Alvos e Sensores
2,62,42,22,01,81,61,41,21,00,80,60,40
10
20
30
40
50
60
%
Infra-vermelhopróximo
Infra-vermelhomédioVisível
Azu
l
Ver
mel
ho
Ver
de
1 2 3 4 5 7
1 2 3 SPOT
LANDSAT TM / EM+
1 2 3
4
CBERS CCD
1 2 3 4 IKONOSPan
Re
flect
ânc
ia
Comprimento de onda
Pan
8 - Pan - ETM+
Solo
Vegetação
Água
mµ
5 - Pan
4
Universo Conceitual• Campos (variáveis geográficas continuas)
–Mapa temático
–Modelo numérico terreno
–Imagem
• Objetos (variáveis geográficas discretas)
–Mapa Cadastral–Mapa de Redes
22
Lotes
geoid dono cadas IPTU22 Guimaraes C Bevilacqua 768
endereco
250186
Mapa Lotes
Universo de representaçãoPlano de
Informação
Represent.Geom.
Matricial Vetorial
é-um
is-represented-by
é-um
Universo de Representação Estruturas de Dados
• Vetoriais– ponto, arco, ilha, arco-nó-polígono– arco orientado-nó– grades triangulares– isolinhas, pontos cotados
• Matriciais– matrizes de inteiros– matrizes de ponto flutuante– matrizes de caracteres (bytes)
Le
Li
AqLs
Representações Computacionais de Mapas
Mapas temáticosMapas temáticos Arco-nó-polígonoArco-nó-polígono Matriz de índices
Mapas CadastraisMapas Cadastrais Arco-nó-polígonoArco-nó-polígono
Mapas de RedeMapas de Rede Arco-nóArco-nó
Modelos numéricos de Modelos numéricos de terrenoterreno
Grades triangulares e Grades triangulares e Isolinhas / pontosIsolinhas / pontos
Matriz de reaisMatriz de reais
ImagensImagens Matriz de bytesMatriz de bytes
VetorialVetorial MatricialMatricial
Universo da Implementação
• Estruturas de Dados utilizadas para construir um sistema de Geoprocessamento
• Envolvem decisões concretas no nível da programação
• Estrutura de dados e algoritmos de pesquisa e recuperação mais adequados com vistas a melhorar desempenho do sistema–Pontos - árvores K-D–Linhas e Polígonos - árvores R e R+–Imagens - árvores quaternárias
Organização de dados em um SIG
• Organização por níveis (ou planos) de informação
– cada nível = tipo específico de dado
• Atributos de mapas– armazenados em tabelas
div.política
elevação
rios
Problema Prático
• Alocação de um depósito de resíduos sólidos• Classe de dados geográficos
– Geolog ia: permeabilidade do solo a partir do grau de fraturamento
– Rede de drenagem: escoamento superficial– Lençol freático : escoamento sub-superficial– Declividade : inclinação do terreno a partir da altimetria– Us o da Terra: áreas de uso para residência, produção e
ocupação clandestina – área com uso atual– Rede viária: escoamento, logística– Solos : análise de permeabilidade– Cadas tro de lotes : indica ocupação– Setores cens itários : indica distribuição socioeconômica
Correspondência entre Universos Mundo Real *Conce itual Repres entação Implementação
Geologia Geo-campo - T Vetor e Matriz de inteiros
Polígonos 2D (R-Tree)Grid ret. (Quad-tree)
Rede de Drenagem Geo-campo - T Vetor Linhas 2D (R-Tree)
Lençol freático Geo-campo – N e T Matriz de reais e inteiros Grid ret. (Quad-tree)
Altimetria Geo-campo - N Vetor e Matriz de reais
Linhas 2D (R-Tree)Grid triang. (R-Tree)Grid ret. (Quad-tree)
Declividade Geo-campo – N e T Matriz de reais e inteiros Grid ret. (Quad-tree)
Imagem satélite Geo-campo - I Matriz de bytes Grid ret. (Quad-tree)
Uso da Terra Geo-campo - T Matriz de inteiros Grid ret. (Quad-tree)
Rede viária Geo-objeto - R Vetor Linhas 2D (R-Tree)
Solos Geo-campo - T Vetor e Matriz de inteiros
Polígonos 2D (R-Tree)Grid ret. (Quad-tree)
Cadastro de lotes Geo-objeto - C Vetor Linhas 2D (com R-Tree)
Setores censitário Geo-objeto - C Vetor Linhas 2D (com R-Tree)
* T= temático, N= numérico, I= imagem, C= cadastral, R= rede
Alocação de Resíduos Sólidos
• Como serão definidas as áreas de possível alocação de depósitos de resíduos sólidos?– Por restrições sobre as diferentes classes de dados
•Geologia: pouco fraturada•Solo: mais espesso•Lencol freático: mais profundo•Declividade: baixa•Acesso: próximo de estrada, distante de rios•Longe de zonas ocupadas
• Como essas restrições são expressas num modelo de dados ?
Evolução da GeoInformação
Mapear
LocalizarModelar
Gerenciar
Prever
Evolução da Geoinformação
• Mapear– Novos dispositivos de captura de dados (GPS)– Imagens de alta resolução
• Gerenciar– Bancos de dados geográficos– Modelos semânticos e interoperabilidade
• Localizar– Sistemas baseados em localização (LBS)– Gerência da informação distribuída
Evolução da Geoinformação
• Modelar– Construir descrições da realidade – Modelos semânticos, matemáticos, lógicos
• Prever– Incorporar a dimensão temporal– Construir cenários de mudança– Mudanças de uso do solo, população,
hidrologia, clima, agricultura
PARTE 1DefiniçõesModelagem de dados espaciais
Modelagem cartográfica Modelagem cartográfica
Processo de criação de um mapa
Conceitos de Geodésia• Datum planimétrico ou horizontal é composto por
uma superfície de referência posicionada em relação à Terra real;
• O procedimento prático de estabelecer uma referência geodésica começa com a seleção arbitrária de um ponto conveniente para o datum e de sua representação na superfície de um elipsóide escolhido
Conceitos de Geodésia• Datum planimétrico local
– SAD-69, Córrego Alegre, NAD-83, NAD-27
• Datum planimétrico global– WGS-84
• As coordenadas geográficas, na verdade, geodésicas, variam:– menos que 60m entre SAD-69 e Córrego Alegre– menos que 100m entre SAD-69 e WGS-84, no
território brasileiro
Córrego Alegre
SAD-69
Exemplo: Cicatrizes de escorregamentos em São Paulo (lat. 24o)
Conceitos de Geodésia
• Conclusões:–lembre que a variação das coordenadas
geográficas pode afetar a exatidão de sua base de dados
–use um SIG que saiba levar em conta essa variação de coordenadas
–saiba o que está medindo com um receptor GPS–tenha cuidado com a documentação de dados
compartilhados (importação e exportação)
Conceitos de Geodésia
• Datum altimétrico ou vertical–superfície de referência para a contagem das
altitudes (geóide)–rede de marégrafos faz medições contínuas para
a determinação do nível médio dos mares–adota-se um dos marégrafos como ponto de
referência do datum vertical–No Brasil usa-se o marégrafo de Imbituba, em
Santa Catarina
Projeções Cartográficas
• Impossível representar uma superfície curva num plano sem deformação, por isso apareceu o conceito de Superfíc ie de Projeção
• Superfície de Projeção é uma superfície desenvolvível no plano, capaz de representar um sistema plano de meridianos e paralelos sobre o qual pode ser desenhada uma representação cartográfica (carta, mapa, planta)
Projeções Cartográficas
• Uma projeção cartográfica determina a correspondência matemática biunívoca entre os pontos da esfera (ou elipsóide) e sua transformação num plano
• Sistemas de projeção resolvem as equações:
x = f1(φ,λ) y = f2 (φ,λ)
λ = g1(x,y) φ = g2(x,y)
Classes de Projeção
Projetada no Plano
Projetada no Cone
Projetada no Cilindro
Projeções Cartográficas• Sistema UTM – Universal Transversa de Mercator
Projeções Cartográficas• O sistema UTM é Universal, pois é aplicável
em toda a extensão do globo terrestre
• São 60 fusos de 6º de longitude (3º para cada lado do meridiano central)
• Em latitude os fusos são limitados ao paralelo 80º N e S.
• O cruzamento de equador com cada MC inicia-se a origem com 10.000.000 metros no eixo das ordenadas (NS) e de + 500.000 metros no eixo das abcissas (EW)
Carta Topográfica
Projeções Cartográficas
• Principais projeções no Brasil–UTM (Universal Transverse Mercator)
•cartas topográficas
–Mercator•cartas náuticas
–Cônica conforme de Lambert•cartas ao milionésimo•cartas aeronáuticas
–Policônica•mapas temáticos•mapas políticos
Integração de dados em SIG’s• Sistemas de referência
– fusos ou zonas UTM• criação de vários projetos• extensão de uma zona UTM
– faixas da cônica de Lambert 1:1.000.000
• criação de vários projetos• extensão de uma faixa
Lambert– como proceder no SIG?
(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)
• Cobertura dos dados–divisão por folhas do
mapeamento–divisão por distrito,
município ou estado–divisão por imagem de
satélite–SIG deve ser flexível e
permitir várias opções
(fonte: Maguire, Goodchild, Rhind, 1991)
Integração de dados em SIG’s
Integração com SR• Sensoriamento Remoto representa uma fonte única
de informação atualizada para um SIG?
• A união da tecnologia e dos conceitos e teorias de Sensoriamento Remoto e SIG possibilita a criação de sistemas de informação mais sofisticados
• A integração de imagens de satélite ou fotografias digitais à base de dados de um SIG depende fundamentalmente de uma etapa de correção geométrica.
Correção geométrica de imagens
• Importância– eliminação de distorções sistemáticas– estudos multi-temporais– integração de dados em SIG
• Requerimentos– conhecimento das distorções existentes– escolha do modelo matemático adequado– avaliação e validação de resultados
Registro de Imagens• O que é Registro (geo-referenciamento)? Transformação
(Lin x Col)Imagem ⇒ (X, Y) sistema referência
• Importância– eliminação de distorções sistemáticas
– análise de dados multi-temporais
– integração de imagens de diferentes sensores
– integração de dados em SIG
Registro: Qual o problema?
Identificar a transformação espacial T que modela a distorção entre os dados