Sistemas de Informações Geográficas e

Geoprocessamento

Parte 1- ConceitosParte 2- Recursos de Análise e Aplicações

EYMAR S.S. LOPES - eymar@dpi.inpe.br

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

NO

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RN

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FRANCE

CUMBRIA

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DURHAM

TYNE AND WEAR

NORTH YORKSHIRE

LANCASHIRE WEST YORKSHIRE

HUMBERSIDE

LINCOLNSHIRE

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EMERSEYSIDE

CHESHIRE

CLWYDGWYNEDD

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SH

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WARWICK- SHIRE

LEICESTERSHIRE

HEREFORD ANDWORCESTER

NORFOLK

SUFFOLK

CAMBRIDGE- SHIRE

ESSEX

GWENT

1 2

3

1. WEST GLAMORGAN2. MID GLAMORGAN3. SOUTH GLAMORGAN

OX

FO

RD

SHIR

E

KENT

EASTSUSSEX

WESTSUSSEX

SURREY

BERKSHIRE

HAMPSHIRE

ISLE OF WIGHT

DORSET

WILTSHIREAVON

SOMERSET

DEVON

CLEVELAND

GREATER MANCHESTER

NORTH-HAMPTON-

SHIRE

GLOUCESTER- SHIRE

ISLE OF MAN

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BUCK-ING- B

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Cardigan Bay

Liverpool Bay

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ATLANTIC OCEAN

The

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Newcastle upon Tyne

Carlisle Durham

Middlesbrough

Northallerton

Preston Wakefield

Hull

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Liverpool

CaernarfonMold Chester

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Norwich

Cambridge

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LeicesterBirmingham

StaffordShrewsbury

Llandrindod Wells

Carmarthen

Worcester

Swansea

Cardiff

NewportGloucester

Bristol Trowbridge

OxfordburyAyles-

Bedford

Hertford

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