Aula 01 noções de cartografia e geoprocessamento

Introdução à Cartografia e Geoprocessamento

Carlos Ruberto Fragoso Jr.

CTEC – UFAL

Tópicos

O que é Geoprocessamento O que é um SIG Importância do Geoprocessamento em

Recursos Hídricos Noções de cartografia Introdução ao ArcGIS

Geoprocessamento

Conjunto de ferramentas usadas para Conjunto de ferramentas usadas para coleta ecoleta e tratamento tratamento de de informações espaciais,informações espaciais, geração de geração de saídassaídas na forma de mapas, na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc;relatórios, arquivos digitais, etc;

Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.manipulação e análise.

Geoprocessamento X SIGs

Geoprocessamento representa qualquer tipo de Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente).muito mais abrangente).

Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.espaciais e modelagens de superfícies.

SIG’s - Definições

BurroughBurrough ““Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar,

recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real”real”

CowenCowen““Um sistema de suporte à decisão que integra dados Um sistema de suporte à decisão que integra dados

referenciados espacialmente num ambiente de respostas a referenciados espacialmente num ambiente de respostas a problemas”problemas”

SmithSmith““Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual

opera um conjunto de procedimentos para responder a opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”consultas sobre entidades espaciais”

SIG’s - Definições

OppenshawOppenshaw““Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o

acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”.estudo”.

GoodchildGoodchild““O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica

está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “

DangerramondDangerramond““Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a

disponível de uma forma que ninguém teve acesso disponível de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”

Software SIG

Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa.

A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde.

adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with ArcGIS

Por que utilizar cartografia computadorizada?

1. Fazer mapas mais rapidamente.

2. Fazer mapas mais baratos.

3. Fazer mapas para usos específicos.

4. Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de pessoal especializado

5. Permitir experimentos com representações espaciais diversas dos mesmos dados.

6. Facilitar atualização de mapas.

7. Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística e mapas.

8. Minimizar a necessidade de mapas em papel.

9. Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D, mapas estereoscópicos).

Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell

Estrutura de um SIG

Interface

Entrada e Integr.Dados

VisualizaçãoPlotagem

Gerência Dados Espaciais

Consulta e Análise Espacial

BANCO DE DADOSBANCO DE DADOSGEOGRÁFICOGEOGRÁFICO

O que deve existir num SIG?

Mostrar localização de entidades específicas. Mostrar localização de entidade A em relação ao local

B. Contar o número de ocorrências da entidade A dentro

de uma região definida por uma distância máxima ou mínima da entidade B.

Avaliar o valor da função f na posição x. Calcular o tamanho de B (área, perímetro, número de

entidades A no interior). Permitir operações de união e intersecção. Permitir encontrar caminhos ótimos entre dois pontos. Listar os atributos das entidades localizadas em x.

O que deve existir num SIG?

Determinar que entidades estão próximas às entidades que combinam certos atributos.

Reclassificar entidades que apresentam certa combinação de atributos.

Conhecendo o valor de uma variável z nos pontos x1, x2,... xn, definir o valor de z nos pontos y1, y2,... yn.

Derivar novos atributos a partir de atributos existentes.

Usando a base de dados como uma representação do mundo real, simular o efeito de um processo P ao longo de um período T num determinado cenário S.

O que é um mapa?

Mapa:Mapa: modelos simplificados da realidademodelos simplificados da realidade– representa, normalmente em escala, uma seleção de representa, normalmente em escala, uma seleção de

entidades abstratas sobre ou relacionadas com a entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).superfície da Terra (ICA).

Produção de um Mapa

Definição de escala e projeção cartográficaDefinição de escala e projeção cartográfica

Seleção dos elementos do mundoSeleção dos elementos do mundo

Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)Classificação em grupos (e.g. tipos de solo)

Simplificação de elementos gráficosSimplificação de elementos gráficos

Exagero de elementos importantesExagero de elementos importantes

Simbologia para apresentar dadosSimbologia para apresentar dados

Tipos de Mapas em Geoprocessamento

Características dos mapas: Características dos mapas: diversidade de fontes diversidade de fontes geradorasgeradoras e de e de formatos apresentados.formatos apresentados.

O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de

dados:dados: – Mapas Temáticos: Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso e conceitos qualitativos (uso e

cobertura do solo, clima)cobertura do solo, clima);;– ImagensImagens;– Mapas NuméricosMapas Numéricos ((representação de superfícies)representação de superfícies)– Mapas Cadastrais e RedesMapas Cadastrais e Redes ((localização de objetos localização de objetos

do mundo - e.g. lotes)do mundo - e.g. lotes)

Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos

Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de

processos. Uso dos recursos hídricos – Cobertura e uso do

solo (urbanizado, florestas, campos agrícolas) A cobertura e uso do solo se distribui no

espaço de forma heterogênea e dinâmica. Cada elemento responde diferentemente em

funções dos processos hidrológicos.

Modelos Complexos em Bacias

DadosMeteorológicos

SIG

Dados específicos de uso do solo e poluição

HSPFHSPF

Distribuição do uso do solo

Dadosdo rio

Fontes pontuais

Modelo

Pos-Processamento

Interface em Windows

Dados da baciaA

B

D

E

F

C

Mas cuidado!

Os SIG tem um impacto muito grande sobre qualquer área do conhecimento que está ligada ao manejo e análise de dados distribuídos no espaço. Algumas pessoas podem enxergar os SIG como uma mágica, como em: “…os dados foram inseridos no computador e a resposta é …”. A velocidade, consistência e precisão de um SIG são impressionantes, e as figuras podem ser bonitas. Com a experiência, no entanto, o SIG passa a ser uma mera extensão da capacidade de pensar do usuário. O SIG não tem respostas inerentes, somente o usuário. SIG é uma ferramenta, como a estatística e a modelagem hidrológica.

Bibliografia - Livros

Fundamentos de Sistemas de Informações Geográficas; José Iguelmar Miranda (Embrapa) 2005.

Análise espacial de dados geográficos; Vários autores (EMBRAPA) 2004.

Geoprocessamento em Recursos Hídricos: Princípios, Integração e Aplicações. Carlos André Bulhões Mendes e José Almir Cirilo 2001.

Fundamentos de informação geográfica. João Matos 2001

Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. P. A. Bourrough

Bibliografia - Manuais

Tutorial do IdrisiTutorial e Help do SPRINGTutorial e Help do MapWindowTutorial e Help do ArcGISManuais de outros programas

Bibliografia - Periódicos

International Journal of Geographical Information Science Geographical Analysis Computers and Geosciences Photogrametric Engineering and Remote Sensing Remote Sensing and Environment Environment and Planning B: Planning and Design Periódicos da área de recursos hídricos (WRR; Journal of Hydrology;

Environmental modeling and software; Journal of Hydrologic Engineering; HESS; IAHS; Hydrological Processes...)

Noções de Cartografia

Escalas Entidades espaciais Sistema de coordenadas Formas de representar a superfície da Terra Sistema Geográfico de Coordenadas Projeções Projeção UTM

Escala

Virtualmente todas as fontes de dados espaciais são menores do que a realidade que elas representam

A escala indica quão menor que a realidade é um mapa

é a razão entre a distância do mapa e a correspondente distância na terra.

É expressa de três formas– um quociente (1:5000; 1:5.000.000)– verbalmente (1 cm representa 50m)– graficamente (ícones usados em mapas

computadorizados Terminologia

– escala pequena (1:250.000, 1:1.000.000) cobrem áreas grandes

– escala grande (1:10.000, 1:25.000) cobrem áreas pequenas com muito detalhes

Escala

Escala do Mapa e Resolução da Grade

Não confunda escala numérica com escala gráfica!!!

Escala

Entidades espaciais (feições)

Tradicionalmente, mapas são usados para representar elementos do mundo real

Símbolos espaciais básicos são: ponto, linha e área. A escolha de um destes símbolos para representar

uma entidade espacial depende da escala. Exemplo: cidades representadas num mapa

num mapa mundi pontos poderiam ser adotados num mapa regional áreas seriam adotadas num mapa local: pontos, linhas e áreas

Sistemas de coordenadas

No século XVII Rene Descartes contribuiu para unir a álgebra e a geometria inventando o sistema de coordenadas

x,y

x

y

que passou a ser chamadoSistema Cartesiano

Sistema de coordenadas cartesiano

Qualquer ponto em um plano é definido pelas suas coordenadas x e y.

x,y

x

y


Uma reta que passa pelos pontos x1 e y1 e x2 e y2 pode ser definida como uma equação algébrica em termos de y e x.

x,y

x

y


Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas x, y e z.

x,y,z

x

z

y

Sistema de coordenadas polar

Qualquer ponto no plano pode ser definido pelas suas coordenadas r,

Sistema de coordenadas esférico

Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas r, e .

Conversões entre sistemas

Exemplo de utilidade dos sistema de coordenadas

Cálculo de distâncias entre pontos

Formas de representar a superfície da Terra

A forma da Terra– No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer

observou na Guiana Francesa: Um relógio com pêndulo de 1m, atrasava cerca de 2 minutos

e meio por dia em relação à Paris. Fazendo análise gravitacional, percebeu que na zona

equatorial a distância entre a superfície e o centro da Terra deveria ser maior do que esta distância medida dos Pólos, conclusão:

A terra NÃO seria uma esfera perfeita e sim “achatada”. => Surge então o Elipsóide!!!

Diâmetro equatorial = 12.756Km e diâmetro do eixo de rotação = 12.714km, com diferença de 42km, o que representa um achatamento de perto de 1/300, por isso, a terra vista do espaço assemelha-se a uma esfera.


Esfera: definida pelo raio R = 6.370.997 m numa área de aproximadamente 520 M Km2

Esferóide: definida por– semi-major axis (a) e semi-minor axis (b) – WGS 84 (padrão dos USA)

a = 6.378.137 e b = 6.356.752,3142

– Clarke 1866 (padrão histórico no US) a = 6.378.205,4 e b = 6.356.583,8

Sistema de Coordenadas Geográficas

Baseadas numa simplificação da forma da terra (esfera ou elipsóide)

Definem a posição de um ponto utilizando ângulos chamados latitude e longitude

Longitude

Latitude

Problemas do Sistema de Coordenadas Geográficas

Qual é a distância entre o ponto A (56 W e 32 S) do ponto B (45 W e 31 S)?

É possível calcular, considerando que a terra é uma esfera, ou um elipsóide, mas é difícil manualmente.

Solução: Projeção para sistema de coordenadas cartesianas

x,y

Projeções

Localizamos as feições da terra num plano 2-D (mapa)

Mundo é esférico e mapa é 2-D Portanto, precisamos de uma projeção de

mapa, que transfere a terra esférica no mapa num plano

Este processo introduz erros nos dados espaciais

Projeções

Existem várias projeções que são adotadas de acordo com o local e que minimizam estes erros

Exemplo: Algumas projeções preservam as distâncias entre as entidades em detrimento da direção

Outras, forma é preservada em detrimento da acurácia na área

Se colocarmos uma lâmpada dentro de uma bola que tem o desenho da terra, e projetarmos a luz numa parede, veremos que a parte central da imagem é melhor representada

Projeções

Distorção de projeção ocorre em:– Forma, área, distância ou direção

Projeções diferentes produzem distorções diferentes.

As características de cada projeção definem sua utilidade para algumas aplicações e inutilidade para outras.

Projeções

Cilíndrica– (mercator) a superfície da terra é projetada num

cilindro que envolve o globo.– Imagem contínua da terra– Países perto do equador têm verdadeiras posições

relativas– A visão dos pólos é bastante distorcida– Área é preservada em grande parte– Mantém escala, forma, área para pequenas áreas.

Projeção Cilíndrica

Projeções

Azimuthal– Projeção num plano– Apenas parte da superfície da terra é visível– A visão será metade do globo ou menos– Distorção ocorre nos quatro cantos do plano– Distância é preservada na maior parte

Projeção Azimuthal

Referência Espacial: Exemplo de Projeções

– LamberthAzimuthal

Projeções

Cônica– a superfície da terra é projetada num cone que

envolve o globo.– Área é distorcida– Distância é muito distorcida quando se move para

baixo da imagem– Escala é preservada na maior parte da imagem

Projeção Cônica

– Lamberth Azimuthal Cônica



– Comparando Projeções

Mundo visto em diferentes projeções

Figura do livro Getting to know ArcGIS de Ormsby et al. 2004

Projeções

– Mapas usados em SIG têm uma projeção associada a eles

– É importante usar uma determinada projeção de acordo com a localização e o propósito do mapa

– Ex. se uma aplicação de SIG requer acurácia no cálculo das áreas, usando uma projeção que distorce áreas não é indicado

– A maioria dos SIGs permite reprojetar um mapa em outra projeção (fazendo mapeamento entre as centenas de projeções existentes)

Projeção UTM

UTM - Universal Transverse Mercator grid system usa a projeção Mercator e divide a terra em 60 zonas verticais (fusos) que têm 6 º de longitude de largura.

UTM usa uma projeção cilíndrica, transversal e secante ao globo terrestre. (é transversal pois a projeção é análogo à colocar um cilindro envolvendo o globo secante aos polos ao invés do Equador.

Os limites de mapeamento são os paralelos 80S e 84N, a partir dos quais usa-se uma projeção estereográfica polar.

UTM adota coordenadas métricas (plano-retangulares) com informações específicas que aparecem nas margens das cartas (mapas) acompanhando um grid de quadrículas planas.

UTM é conformal de forma a preservar forma e escala.

O cruzamento do equador com o meridiano padrão específico, denominado Meridiano Central (MC) é a origem deste sistema de coordenadas.

Os paralelos e meridianos numa zona UTM são curvados com exceção do meridiano central e do equador que são retos.

As coordenadas UTM são definidas em metros e estão de acordo com o Meridiano central.

O valor do MC é sempre 500.000m (portanto Easting varia de 0 a 1.000.000m.

No hemisfério norte o Equador é a origem de Northing (0m). Então um ponto em Northing 5.000.000m está a 5.000Km do Equador.

No hemisfério sul o Equador tem um Northing de 10.000.000m, então todos os outros Northing neste hemisfério tem um valor menor que o Equador.

Projeção UTM

O fato das coordenadas UTM serem em metros facilita o cálculo preciso de distâncias (curtas) entre pontos e áreas.

Na verdade UTM é um conjunto de 60 projeções. Portanto, mapas de zonas diferentes tendem a não se encontrarem nas bordas das zonas.

Coordenadas UTM são fáceis de reconhecer pois consistem de 6 dígitos (inteiro) Easting e 7 dígitos inteiros Northing.

Projeção UTM


Projeção UTM

Introdução ao ArcGIS

http://www.esri.com/software/arcgis/index.html

O ArcGIS é um pacote de softwares da ESRI O ArcGIS é um pacote de softwares da ESRI (Environmental Systems Research Institute) de (Environmental Systems Research Institute) de elaboração e manipulação de informações vetoriais e elaboração e manipulação de informações vetoriais e matriciais para o uso e gerenciamento de bases matriciais para o uso e gerenciamento de bases temáticas. O ArcGIS disponibiliza em um ambiente de temáticas. O ArcGIS disponibiliza em um ambiente de Sistema de Informação Geográfica (SIG) uma gama Sistema de Informação Geográfica (SIG) uma gama de ferramentas de forma integrada e de fácil de ferramentas de forma integrada e de fácil utilização.utilização.

O ArcGIS integra na mesma base:O ArcGIS integra na mesma base: DADOS CARTOGRÁFICOSDADOS CARTOGRÁFICOS DADOS DE CENSO DADOS DE CENSO CADASTRO URBANO E RURALCADASTRO URBANO E RURAL IMAGENS DE SATÉLITEIMAGENS DE SATÉLITE REDES REDES MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENOMODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO

ArcGIS

ArcGIS

ArcGIS Desktop

ArcMap – comumente chamado de ArcGIS, principal ArcMap – comumente chamado de ArcGIS, principal componente do ArcGIS Desktop, conjunto de componente do ArcGIS Desktop, conjunto de programas de processamento geo-espaciais, usado programas de processamento geo-espaciais, usado principalmente para visualizar, editar, criar e analisar principalmente para visualizar, editar, criar e analisar dados geoespaciais.dados geoespaciais.

ArcCatalog - permite a visualização, gerenciamento e ArcCatalog - permite a visualização, gerenciamento e organização dos dados espaciais.organização dos dados espaciais.

ArcToolbox – reúne uma abrangente coleção de ArcToolbox – reúne uma abrangente coleção de funções para geoprocessamento.funções para geoprocessamento.

ArcGlobe – Visualização 3DArcGlobe – Visualização 3D

Obrigado!

Carlos Ruberto Fragoso Jr.

[email protected]

http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj

Aula 01 noções de cartografia e geoprocessamento

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