Sistemas de Informação Geográfica Introdução aos SIG · coordenadas x,y,z que não têm...

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1 Introdução aos SIG 1. Os SIG 2. Conceitos relativos a sistemas de informação 3. Modelação geográfica i. Natureza da entidade ii. Modo de observação iii. Classificação funcional 4. História do desenvolvimento dos SIG 5. SIG/CIG Domínios de aplicação 6. Modelos de dados i. Características mais comuns Sistemas de Informação Geográfica SIG = Sistemas de Informação + Informação Geográfica Ligação bases de dados / mapas Armazenamento Modelação Consulta Capacidades de análise Medição Relação entre os dados Informação espacial Todo e qualquer tipo de informação georreferenciada, ou seja, associada a uma localização sobre a Terra através de um sistema de referenciação espacial Sistemas computacionais que permitem a entrada, armazenamento, análise e exposição de informação espacial Sistemas de Informação Geográfica Um SIG integra: dados funções de processamento pessoas software hardware SIG ≠ outros sistemas de informação SGBD não contém informação sobre localizações de forma explícita “cidade”, “rua”, “código postal”, etc. mas não coordenadas não responde a: que ruas estão até 300 m do IST? CAD/CAM (computer aided design/drafting) para criação gráfica e exposição não usam necessariamente coordenadas com significado (ex.: coordenadas x,y,z que não têm ligação a sistemas de coordenadas geográficas) capacidade de base de dados limitada (características associadas aos elementos representados) Informação geográfica A referenciação espacial (georreferenciação) pode ser feita através de um sistema de coordenadas (referenciação direta) ou através de um endereço geográfico (referenciação indireta ou geocódigo) por geocódigo por coordenadas Informação geográfica A IG pode estar disponível de duas formas: Armazenada localmente num computador ou rede local, para uso em SIG desktop necessário ter este software Como um “map service” (“web service” de um servidor que gera mapas) e usado por um cliente basta ter um browser ou equivalente Há uma grande quantidade de IG disponível, pesquisável por metadados (informação sobre a informação): ex: snig.igeo.pt (Sist. Nacional de IG)

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Introdução aos SIG 1. Os SIG

2. Conceitos relativos a sistemas de informação

3. Modelação geográfica i. Natureza da entidade

ii. Modo de observação

iii. Classificação funcional

4. História do desenvolvimento dos SIG

5. SIG/CIG – Domínios de aplicação

6. Modelos de dados i. Características mais comuns

Sistemas de Informação Geográfica

• SIG = Sistemas de Informação + Informação Geográfica

– Ligação bases de dados /

mapas

• Armazenamento

• Modelação

• Consulta

– Capacidades de análise

• Medição

• Relação entre os dados

– Informação espacial

Todo e qualquer tipo de

informação

georreferenciada, ou seja,

associada a uma localização

sobre a Terra através de um

sistema de referenciação

espacial

Sistemas computacionais que permitem a entrada,

armazenamento, análise e exposição de informação espacial

Sistemas de Informação Geográfica

• Um SIG integra:

dados

funções de

processamento

pessoas

software

hardware

SIG ≠ outros sistemas de

informação

• SGBD – não contém informação sobre localizações de

forma explícita

– “cidade”, “rua”, “código postal”, etc. mas não coordenadas

– não responde a: que ruas estão até 300 m do IST?

• CAD/CAM (computer aided design/drafting) – para

criação gráfica e exposição

– não usam necessariamente coordenadas com significado (ex.:

coordenadas x,y,z que não têm ligação a sistemas de

coordenadas geográficas)

– capacidade de base de dados limitada (características

associadas aos elementos representados)

Informação geográfica

• A referenciação espacial (georreferenciação) pode ser

feita através de um sistema de coordenadas

(referenciação direta) ou através de um endereço

geográfico (referenciação indireta ou geocódigo)

por geocódigo

por coordenadas

Informação geográfica

• A IG pode estar disponível de duas formas:

– Armazenada localmente num computador ou rede

local, para uso em SIG desktop – necessário ter

este software

– Como um “map service” (“web service” de um

servidor que gera mapas) e usado por um cliente –

basta ter um browser ou equivalente

• Há uma grande quantidade de IG disponível,

pesquisável por metadados (informação sobre

a informação): ex: snig.igeo.pt (Sist. Nacional

de IG)

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Sistemas de informação

• Universo de Discurso (UoD) - É o fragmento do mundo real sobre o qual incide a tarefa de modelação e sobre o qual se foca a construção do sistema. A identificação do UoD pressupõe a identificação da fronteira do sistema e das entidades do mundo real (EMR).

• Estrutura de Conceitos - Conjunto de abstrações básicas que permitem identificar e caracterizar as EMR.

• Modelo - Interpretação de um dado UoD segundo uma determinada estrutura de conceitos.

• Linguagem de Modelação - É a estruturação e especificação da estrutura de conceitos segundo uma ou mais linguagens. Ex: UML

• Esquema - é a especificação de um modelo usando uma determinada linguagem, a qual pode ser formal ou informal (ex. linguagem natural); textual, gráfica, etc. Quando a representação do esquema é gráfica designa-se usualmente por diagrama.

Mundo Real

[modificado de Matos, 2002; Silva,2000]

fenómeno é tudo o que é

objeto de experiência

possível, isto é, tudo o

que aparece no tempo ou

no espaço (Kant)

Mundo Real (ou hipotético...)

[modificado de Matos, 2002; Silva,2000]

Casa Casa

Casa

Casa

Sinal

Rua

UoD

Vista do mundo real ou hipotético

que inclui os aspetos de interesse

parte da realidade que

nos interessa

Zona

Comercial

Mundo Real

UoD

Domínio do Problema

Zona

Habitacional

Limite de Freguesia

[modificado de Matos, 2002; Silva,2000]

A forma como se discorre sobre o

UoD depende do domínio do

problema, isto é, da forma como

um dado cliente ou utilizador

descreve aquilo que pretende de

um sistema.

Mundo Real

UoD

Domínio do Problema

Zona

Habitacional

Domínio da Solução

Um determinado problema pode

ser resolvido de várias formas:

não existe uma forma única de

modelar um sistema.

O domínio da solução é apenas

um de entre os possíveis.

Mundo Real

UoD

Domínio do Problema

Zona

Habitacional

Domínio da Solução

Uma determinada solução pode ser

implementada em plataformas diferentes

(e.g. diferentes SIG comerciais).

O domínio da realização é condicionado

pelas estruturas de dados e as operações

suportadas por cada tipo de plataforma.

Domínio da

Realização

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Informação geográfica

Informação Geográfica - Todo e qualquer tipo de informação

georreferenciada, ou seja, associada a uma localização sobre a

Terra através de um sistema de referenciação espacial. A

referenciação espacial, ou georreferenciação, pode ser feita

através de um sistema de coordenadas (referenciação direta)

ou através de um endereço geográfico (referenciação indireta

ou por geocódigo).

Na maioria das análises, a informação com natureza geográfica

(ortofotos, altimetria, ocupação e uso do solo, censos, etc.) tem

de ser integrada com outro tipo de informação que pode não

ser espacialmente desagregada (projeções económicas,

demográficas, cenários de crescimento, etc.) ou, ainda, não

estar espacialmente materializada (regulamentação sobre

domínio hídrico, sobre servidões e condicionantes de utilidade

pública).

Informação geográfica

Dados Geográficos - Forma de estruturação e "empacotamento"

da informação geográfica, de acordo com um determinado

modelo de dados geográfico.

Conjunto de Dados Geográficos (CDG) - Coleção de dados

geográficos, tipicamente realizada em função de uma lógica

temática ou de um propósito de transferência de dados. Deve

distinguir-se entre o modelo de dados geográfico que presidiu à

estruturação dos dados, e o formato de dados: o primeiro é um

esquema conceptual, abstrato (ex.: vetor, rede, grafo

topológico, matriz, relação); o segundo é uma especificação,

tipicamente comercial, para o armazenamento dos dados num

determinado software SIG ou para transferência de dados entre

programas diferentes (ex.: DXF, VPF, STDS).

Modelação da informação

geográfica

A modelação geográfica tem um domínio de aplicação obviamente

muito vasto; há componentes dessa modelação que são

próprias de cada aplicação específica e há aspetos que são

genéricos a qualquer modelação geográfica.

A evolução tecnológica teve consequências no modo de pensar a

modelação geográfica, não veio simplesmente permitir que se

fizesse o mesmo com mais facilidade.

A utilização competente de informação geográfica requer o

entendimento das características geográficas do problema

em causa e uma visão abrangente e sólida das formas de

abordagem geográfica

Natureza da entidade

• ATÓMICO OU “PLENUM” Dicotomia referente à partição do

universo em entidades atómicas (compatível com fronteiras

definidas e estrutura vetorial) ou num “plenum” (compatível com a

não utilização de fronteiras e estrutura matricial). A subdivisão de

uma casa não é uma casa mas a subdivisão de uma porção de

mar continua a ser mar.

• HOMOGÉNEO OU HETEROGÉNEO Característica associada

a entidades extensivas compostas por outras com fronteiras bem

definidas. Um bosque é composto por árvores, uma árvore tem

fronteira bem definida mas não é um pequeno bosque (uma

analogia semelhante pode ser construída para uma casa e uma

cidade).

Natureza da entidade

• DESCONTÍNUO OU CONTÍNUO –

Característica associada à conti-

nuidade na transição de uma entidade

para outra. A um edifício pode ser

associada uma transição abrupta

entre ser ou não edifício enquanto

uma descrição de distribuição de

pluviosidade terá uma transição

contínua.

• CONTÍGUO OU DISPERSO –

Característica referente ao facto de

uma entidade poder não ter unicidade

espacial. Um exemplo é o de povoação

comportando-se como uma entidade e

podendo no entanto estar dispersa.

Natureza da entidade

• BIDIMENSIONAL OU TRIDIMENSIONAL – Em geral a

representação bidimensional é satisfatória porque a altitude é

negligenciável relativamente às dimensões horizontais e também

porque os objetos em geral estão contidos na representação da

sua base. Para fenómenos geológicos ou atmosféricos em que o

desenvolvimento tridimensional é significativo as representações

bidimensionais com fronteiras definidas poderão ser impossíveis.

• ATUAL OU NÃO-ATUAL – A representação de uma entidade

está necessariamente associada a um período no tempo.

Poderão ser representadas entidades que já existiram ou que se

prevê virem a existir numa época posterior à representação.

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Natureza da entidade

• PERMANENTE OU VARIÁVEL – Característica associada à

variabilidade das fronteiras de uma entidade, podendo

inclusivamente essa variabilidade alternar entre a existência e a

não existência da entidade. Como exemplo pode citar-se a

delimitação de zona de cultivo afetada por uma doença.

• FIXA OU MÓVEL – Esta característica é de algum modo

semelhante à anterior, associando-se mais à classificação de

entidades naturalmente em movimento (uma manada, um

conjunto de veículos, …).

Natureza da entidade

• CONVENCIONAL OU AUTO-DEFINÍVEL – Característica

associada a entidades cuja delimitação não está naturalmente

associada a objetos físicos cuja fronteira é identificável. Exemplos

típicos ocorrem nas classificações sócio-económicas.

• SÓLIDO OU FLUIDO – Característica referente às características

físicas do objeto que afetam a sua descrição geográfica; um

fluído, seja a atmosfera, um rio ou um oceano não tem fronteira

definida enquanto um objeto sólido a terá.

Imagem LANDSAT 89

Imagem LANDSAT 99

Variação no tempo

Natureza da entidade

Desenho de margens

Subjetividade ou impossibilidade de definição rigorosa

Natureza da entidade

Modo de observação

• “ESCALA” A escala de observação, como sinónimo de nível de

generalização, é uma das principais responsáveis não só pelo

tipo de objetos como pelas suas fronteiras.

•«No que concerne à descrição do pormenor e dos objetos a

representar, constata-se que o uso e a habituação ao modo tradicional

de operar com cartografia [impressa] preservam na [informação

geográfica] digital alguma da antiga sistematização. Utiliza-se

atualmente o conceito de escala como referência a um nível de

pormenor, sendo este estabelecido por analogia à cartografia

impressa similar e não pelo pormenor necessário para que um dado

modelo se adeqúe a uma dada finalidade. A continuidade da utilização

do conceito de carta topográfica como base de propósito genérico,

limitada a um leque restrito de escalas convencionais, é responsável

por alguns equívocos quando transposto para fora do seu domínio

legítimo, o da cartografia impressa.» [Matos, 1998, pp. 4-5]

Modo de observação

• RESOLUÇÃO A resolução identifica a menor dimensão a considerar; sublinhe-se que quanto maior a resolução mais complexas e difusas serão as fronteiras.

• PERSPETIVA A caracterização geométrica do modo de observação; as fronteiras bidimensionais são indissociáveis do modo como o objeto é projetado, sendo as projeções cartográficas geradoras de infinitas possibilidades de fronteira bidimensional.

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Modo de observação

• TEMPO A representação de uma entidade está associada a

uma época, para a qual é definida uma delimitação que poderá

sofrer alterações no tempo.

• ERRO Erro com que se determina a delimitação de uma

entidade.

• TEORIA Os objetos são definidos à luz de uma ontologia,

podendo ser resultado de construções teóricas.

Simulação da determinação da posição de um ponto

através de uma amostra de 1000 medições.

Ainda que se utilize sempre a mesma metodologia, a determinação duma

posição no espaço (ponto vermelho na figura) originará forçosamente valores

distintos a cada medição. Esta variação só não é detetada pelos utilizadores

se a precisão do instrumento de medida for muito baixa. Caso não haja

enviesamento na medida, obteremos uma nuvem de pontos (a cinzento na

figura), que, de acordo com a teoria do erro, seguirá uma distribuição normal.

Modo de observ. Classificação

funcional Duas formas de representação abstrata de

vias. À esquerda, rede de eixos médios; à

direita, linha correspondente aos lancis dos

passeios.

Representação do percurso viário mais

curto entre dois pontos em Lisboa

(http://geo.sapo.pt).

Os requisitos da IG são definidos em função das operações que o sistema deve

suportar. Os objetivos condicionarão a seleção dos objetos geográficos a incorporar

no sistema, determinarão o nível de detalhe geométrico, o levantamento dos

atributos necessários, e a seleção do modelo geográfico a utilizar.

No exemplo, as linhas a vermelho serão adequadas para representação cartográfica de

ruas a escalas grandes, e têm maior detalhe geométrico do que a representação a azul.

Contudo, não permitem a realização de análises de rede.

Se o objetivo envolver caminhos ótimos, análise de acessibilidades rodoviárias, etc., é mais

eficiente optar por uma representação de vias geometricamente mais abstrata e fazer um

levantamento dos eixos médios.

História do desenvolvimento dos

SIG

IAS Computer, 1951-52

Alguns dos primeiros computadores:

Colossus, 1943-45

1967

Dual Independent Map

Encoding (DIME)

US Bureau of Census

“address matching”

Experimental Cartography

Unit (ECU)

Royal College of Art

Londres

1966

Synagraphic Mapping System

(SYMAP)

1965

The Harvard Lab for Computer

Graphics and Spatial Analysis

Urban and Regional Information

Systems Association Canada Geographic

Information System (CGIS)

1963

1959 MIMO

(Waldo Tobler)

SGBD

hierárquico - IMS

1968

Primórdios do AM/FM

PSCo - CINS

1ºScanner Cartográfico

SYMAP

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1974

1ª conferência

AUTOCARTO

1973

Maryland Automatic

Geographic Information

(MAGI)

Geographical Information

Retrieval and Analysis

System (GIRAS)

1972

Lançado o satélite

LANDSAT

(ERTS-1)

1969

M&S Computing Inc.

(hoje )

Environmental Systems

Research Institue (ESRI)

início do SQL

(norma em 1986)

Impressora de agulhas

ARPANET Base de Dados Relacional

Minnesota Land Management

Information System

(MLMIS)

1976

1979

ODISSEY GIS

Harvard Lab 1981

1983

Digital Map

Company

1985

Global Positioning System

(GPS) operacional (in. 1978)

Geographic Resources

Analysis Support System

(GRASS)

1975 Impressora laser

Internet Autodesk

VISICalc

“640 kB serão

suficientes

para qualquer um”

Bill Gates

Tandy - Radio Shack TRS-80, 1977

4 kBytes

IBM PC 5150, 1981-1987

Memória: 16 a 640 kBytes

1987

1.º número do

International Journal of

Geographic Information

Systems

Clark University

1986

Lançado o 1.º satélite

SPOT

1988

National Centre for

Geographic Information and

Analysis

Topolocically Integrated

Encoding and Referencing

(TIGER) do USCB

SCE adquirem sistema de

cartografia digital

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Fundada a Association of

Geographic Information

Modular GIS Environment

(MGE) -Intergraph

1989

1991

1996 Arc/Info para Windows NT

1990

1995

Mestrado em SIG

1º ESIG

1994 PROSIG

Laser Scanning ( ? )

LANDSAT TM 7

GEODatabase

1997

1999

2000

MAPQUEST

adquirida pela AOL

MAPQUEST

fornece 130 milhões

de mapas

Ikonos

1998

>20 empresas de

serviços SIG em Portugal

TC211

ESPECIALIZAÇÃO NA OE

CT134

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2003

2006

2007

INSPIRE

2005

2004

2002

2001

Fusão do CNIG no IGP

SRTM

CAOP

ESA GlobCover

Earth View (Keyhole,

Inc.)

2008

2009

OpenSource GIS

Layers / camadas / coberturas /

temas • Constituem a forma de

organização lógica da

informação geográfica

no contexto SIG

• Cada layer representa

entidades de

características

homogéneas

• Exemplos: estradas, uso do solo, altitude, rios,

construções, divisão administrativa

Modelo vetorial (relacional)

• Entidades individualizáveis,

com fronteira bem definida

• Atributos em tabela própria

• Cada entidade está ligada

a uma linha da tabela de

atributos ID

ID

INFORMAÇÃO ESPACIAL

TABELA DE ATRIBUTOS

OUTRAS TABELAS

Modelo vetorial (relacional)

• Pontos, linhas e polígonos

• Ligação objeto/registo

Modelo matricial

• Espaço dividido em células, que “guardam” números inteiros

ou reais

• O valor de cada célula é a medida de algo ou tem algum

significado

• Adequa-se a fenómenos de fronteiras difusas

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Modelo matricial

• Os dados podem ser classificados como

“contínuos” (reais, sem tabela de atributos) ou

“discretos” (inteiros, com tabela de atributos)

• As imagens também podem ser consideradas

matrizes

Modelo temporal

MANCHAS DE MONTADO (SOBREIRO E AZINHEIRA)

DENSIDADE – 1943 -1985

EXTENSÃO – 1943 -1985

Modelo 3D Redefinição de SIG

• Um sistema

de informação

aplicado à

modelação

geográfica

de fenómenos

e à sua

análise

Questões

• Qual o impacto da massificação de SIG, por exemplo com o Google Earth, no desenvolvimento histórico de SIG ?

• Por que razão começa a haver uma utilização efetiva na segunda metade da década de 1990 ?

• O que antevê como evolução futura para os sistemas de informação geográfica ?

• Porque razão o termo SIG é parcialmente substituído por Ciência de Informação Geográfica e por Tecnologias de Informação Geográfica ?

http://www.gisdevelopment.net/history/links/index.htm

http://snig.igeo.pt/

Medidas/grandezas comuns

em SIG • Todos os dados da superfície da Terra estão sujeitos a uma

projeção: conversão 3D para 2D, necessariamente com distorção

• Escala: é sinónimo de grau de pormenor na representação

– exemplo: dizer que a informação geográfica está “à escala 1:x” quer

dizer que tem certo grau de pormenor esperando-se a representação

de certas entidades que a outras escalas seria diferente

• Exatidão: grau de correspondência com o mundo real

– posicional: distância

– consistência: informação correta

– completude: inclusão de tudo o que é relevante

• Resolução: a dimensão da menor entidade representável

– a resolução (espacial) depende da escala

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• Dois tipos:

Espacial

Não espacial

concelhos com

mais de 50000

habitantes

cidades até x km

de distância de y

Consulta/seleção Análise

• Padrões (ex.: densidades, etc.)

• Relação (ex.: proximidade ao mar = maior

preço das casas, influência da poluição no

crescimento das plantas, etc.)

• Evolução

• Predição (ex.: quantas pessoas podem ser

afetadas por uma cheia?)

• Modelação de cenários (ex.: se se localizasse

aqui x o que aconteceria?)

• Análise do relevo (declive, exposição solar,

etc.)

Análise

Aplicações

ISIG – MEC – IST 2011-12

Paisagismo Recursos naturais

Ordenamento Ambiente

Implantação de infraestruturas

Censos

Cartografia

Cadastro Predial

CIÊNCIA DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA

Transportes

Navegação

Investigação Operacional

Sistemas de Informação

Modelação

Estatística

espacial

Deteção Remota

Posicionamento

Hidrologia

Urbanismo

Alguns SIG

• Freeware, GNU e open source (vários tipos de

licenças)

– ArcExplorer (só para “ver” informação)

– AccuGlobe

– QuantumGIS (gratuito)

– gvSIG (gratuito)

– Google Earth versão base (limitada)

• Globo virtual, bom para ver dados 3D

• Comercial

– ArcGIS

– MapInfo

Questões da aula 1 • Que problemas existem se quisermos encontrar as

freguesias de Portugal com área de ”bosque” superior a

30 hectares?

• Se se usar cartografia à escala 1:10000, significa isso

que todos os comprimentos medidos são na realidade

10000 vezes inferiores nessa cartografia do que no

mundo real?

• Que modelo de dados seria adequado para a gestão de

espaços de um edifício como o pavilhão de Civil?

• Como está estruturada a informação num SIG?

• O Google Earth tem todas as funcionalidades de um

SIG?