Introdução aos Sistemas de Informação Geográfica

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1 Introdução aos Sistemas de Informação Geográfica Mestrado Profissionalizante 2015 Karla Donato Fook IFMA / DAI Análise Espacial 2 1

2 Distribuição Espacial A compreensão da distribuição espacial de dados provenientes de fenômenos ocorridos no espaço continua a ser um desafio para a elucidação de questões em áreas como saúde, ambiente, geologia, etc. SIG s são capazes de apresentar mapas coloridos que permitem a visualização do padrão espacial de determinado fenômeno 3 Distribuição Espacial 4 2

3 Distribuição Espacial 5 Distribuição Espacial A distribuição espacial de um problema também é útil para discutir questões como Epidemiologistas coletam dados sobre ocorrência de doenças A distribuição dos casos de uma doença forma um padrão no espaço? Existe alguma associação com alguma fonte de poluição? Há evidência de contato? Variou no tempo? 6 3

4 Distribuição Espacial A distribuição espacial de um problema também é útil para discutir questões como Deseja-se investigar se existe alguma concentração espacial na distribuição de roubos. Roubos que ocorrem em determinadas áreas estão correlacionados com características socioeconômicas destas áreas? 7 Análise Espacial Novas Informações / Revisão de Conceitos UNIVERSO DE PROBLEMAS NO DOMÍNIO DO ESPAÇO GEOGRÁFICO ANÁLISE ESPACIAL Modelo de Dados/ Modelo do Fenômeno/ Representação 4

5 Análise Espacial Inclui transformações, manipulações e métodos que podem ser aplicados aos dados geográficos para adicionar valor a eles, para apoiar decisões e para revelar padrões e anomalias que não são vistos à primeira vista. (Longley et al., 2013) 9 Análise Espacial Ponto crucial dos SIG, é o meio de agregar valor aos dados geográficos e transformar dados em informação útil. (Longley et al., 2013) 10 5

6 Análise Espacial Pode revelar coisas que, de outro modo, seriam invisíveis. Ou seja, pode tornar explícito o que está implícito. (Longley et al., 2013) 11 Análise Espacial Composta por um conjunto de procedimentos encadeados cuja finalidade é a escolha de um modelo inferencial que considere explicitamente o relacionamento espacial presente no fenômeno 12 6

7 Análise Espacial Possui ênfase em mensurar propriedades e relacionamentos, considerando a localização espacial do fenômeno em estudo de forma explícita Incorpora o espaço à análise que se deseja fazer Software Estatístico R Conceitos Básicos Análise Espacial Dependência Espacial Primeira Lei da Geografia: Todas as coisas se parecem, coisas mais próximas são mais parecidas que aquelas mais distantes (Waldo Tobler) A maior parte das ocorrências, sejam naturais ou sociais, apresentam entre si uma relação que depende da distância Se há poluição num trecho de um lago, é provável que locais próximos também estejam poluídos 14 7

8 Análise Espacial Conceitos Básicos Autocorrelação Espacial Expressão computacional da dependência espacial Derivado do conceito estatístico de correlação, utilizado para mensurar o relacionamento entre duas variáveis aleatórias A preposição auto indica que a medida de correlação é realizada com uma mesma variável aleatória, medida em locais distintos do espaço Ideia: verificar como varia a dependência espacial, a partir da comparação entre dois valores de uma amostra e seus vizinhos 15 Metodos de Análise Espacial Análise dados vetoriais Análise de pontos: kernel, cluster Análise de área: Moran Geoestatística: krigeagem ordinária, krigeagem por indicação Análise de dados matriciais Filtros Contrastes Segmentação Classificação 8

9 Análise Espacial Selecionar visualizar, navegar, pesquisar Manipular gerar MNTs e imagens álgebra de mapas Explorar geoestatística estatística espacial Explicar regressão espacial estimação modelagem Análise Espacial Fenômeno espacial: contínuo ou discreto Discreto - espaço contém entidades do mundo real Exs: municípios, quadras, escolas, hospitais, etc... Contínuo - informação presente em todas as posições Exs: temperatura, pressão, teor de argila no solo, etc... 9

10 Análise Espacial Principais áreas de estudo na análise espacial: modelagem espacial e análise estatística de dados espaciais (Fischer et al., 1996) (Reis, 2005) Análise Espacial (Reis, 2005) 10

11 Análise Espacial Compatibilização de dados coletados, visto que há dados provenientes de fontes diversas, tais como dados censitários e imagens de satélite (Reis, 2005) Análise Espacial Amostragem de objetos no banco de dados e escolha da escala de análise adequada (Reis, 2005) 11

12 Análise Espacial Definida como sendo uma coleção de técnicas para descrever e visualizar distribuições espaciais, identificar situações atípicas (outliers), descobrir padrões de associação espacial, clusters e sugerir regimes espaciais ou formas de heterogeneidade espacial (Anselin, 1998) (Reis, 2005) Análise Espacial Diz respeito à estimação de parâmetros de modelos e teste de hipóteses baseado em certas suposições (Reis, 2005) 12

13 Estatística Espacial Estatística Convencional amostras são independentes: realizações de uma variável aleatória estimativa de funções densidade de probabilidade: normal Estatística Espacial todas as coisas se parecem, mais coisas próximas são mais parecidas (Tobler) correlação espacial (pode ser medida sob certas hipóteses) Estatística Espacial Engloba um conjunto de técnicas análise que modelam fenômenos em função de propriedades de processos estocásticos Técnicas implementadas em softwares estatísticos Software Estatístico R 13

14 Estatística Espacial Ferramentas de estatísticas espaciais não contemplam componentes providos por um GIS Banco de dados espacial robusto Modelos espaciais Algoritmos de visualização Usuários de GIS encontram dificuldades para fazer análises mais sofisticadas Motivação A integração das duas tecnologias une a capacidade de gerenciamento de dados dos GIS às técnicas de análise da Estatística Espacial Estatística Espacial (Reis, 2005) Conjunto de técnicas utilizadas na análise exploratória e análise inferencial, onde a localização dos dados é relevante Inserida em um contexto mais amplo, a análise espacial de dados Subdividida em áreas de análise conforme o tipo de dado tratado 14

15 Análise de Dados Pontuais ou Eventos Estuda a distribuição espacial de fenômenos expressos através de ocorrências identificadas como pontos localizados no espaço Detecção de Padrões Espaciais Exemplos A localização de crimes Ocorrência de doenças ou Disperso Análise de Dados Pontuais ou Eventos Aplicação de padrões pontuais para o estudo da mortalidade por causas externas em Porto Alegre (Santos e Barcellos, 1996) - FIOCRUZ. Esquerda Homicídios Acidentes trânsito Suicídios Direita Superfície para a intensidade estimada Padrão com distribuição de pontos com forte concentração no centro da cidade e decrescendo em direção aos bairros mais afastados 15

16 Análise de Dados de Superfície Permite que dados pontuais sejam interpolados gerando uma superfície Detecção de padrões nos valores dos atributos Modelos utilizados Determinísticos de efeitos locais Determinísticos de efeitos globais Modelos estatísticos de efeitos locais e globais Exemplos Medidas geológicas de depósitos minerais Salinidade e permeabilidade do solo Medição de chuva Análise de Dados de Superfície a) Distribuição de perfis e amostras de solo em Santa Catarina b) Distribuição contínua estimada para a variável saturação por bases (a) (b) (Druck et al., 2004) 16

17 Análise de Dados de Área Aplicada quando não se dispõe da localização exata dos eventos e sim um valor por área Detecção e possíveis explicações para o padrão nos valores dos atributos Utiliza Análise exploratória Modelos de regressão espacial Modelos inferenciais Análise de Dados de Área Exemplos Censos Estatísticas de saúde Distribuição espacial do índice de exclusão/inclusão social de S. Paulo a) Tipo de dado de área b) Agregamentos de exclusão e inclusão social (a) (b) Sposati apud (Druck et al., 2004) 17

18 Análise de Dados Espaço-Temporais Lida com modelos preditivos que possuem representação espaço-temporal Aplicada para avaliar padrões que variam no tempo Técnicas de análise capturam relações dinâmicas e estabelecem conexões entre fenômenos através de modelos multi-escala Desafio na Geoinformação Análise de Dados Espaço-Temporais Exemplos Exame do impacto da dinâmica temporal no comportamento de um modelo urbano (Liu and Anderson, 2004); Avaliação do padrão de procriação de pássaros (Unwin, 1996); Visualização e análise exploratória de dados epidemiológicos (AvRuskin et al., 2004); Estudo da relação entre exposição de arsênico e câncer de bexiga em Michigan Descoberta de agrupamento espaço-temporal (Assunção et al., 2003); Incidência de crime em Belo Horizonte, durante coletados pela Polícia Militar de Minas Gerais 18

19 Análise Espacial: Classes de Problemas Tipos de Dados Exemplo Problemas Típicos Análise de Padrões Pontuais Eventos Localizados Ocorrência de Doenças Determinação de Padrões Ana. de Superfícies Geoestatística Amostras de Campo Depósitos Minerais Interpolação de Superfície Análise de Áreas Entidades e Atributos Dados Censitários Relacionamento das entidades Regressão Análise Espacial (Reis, 2005) 19

20 Desafio Um dos grandes desafios da Ciência da Informação Espacial é o desenvolvimento de técnicas e abstrações que sejam capazes de representar adequadamente fenômenos espaço-temporais dinâmicos Modelo Câmara et al.,

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