Visualização Dinâmica de Informação Geográfica sobre Modelos Sólidos de Terreno

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1 Visualizaçã Dinâmica de Infrmaçã Gegráfica sbre Mdels Sólids de Terren Cucel, Carls; Cresp, Rita; Duarte, Pedr Resum Os prcesss de decisã relativs a plans nacinais, reginais e lcais de rdenament d territóri, e a nvs prjects de desenvlviment, tem vind a evluir n sentid de uma participaçã cada vez mais alargada das ppulações, cm exigências crescentes n que se refere à qualidade da infrmaçã e ds pressupsts que s sustentam, e das frmas adptadas para a cmunicaçã das prpstas que estes encerram. Os Sistemas de Infrmaçã Gegráfica desempenham cada vez mais um papel crucial na elabraçã e na apresentaçã destes plans e prjects. N entant, a necessidade de lidar cm audiências cada vez mais diversificadas, e de lhes transmitir plans e prpstas de uma frma rigrsa mas fácilmente perceptível, cntribuind para um prcess de decisã mais participad e eficaz, justifica a adpçã de nvas técnicas e tecnlgias na respectiva apresentaçã. É neste cntext que se justifica e se enquadra a utilizaçã de mdels sólids de terren e de mapas tridimensinais (3D), e a representaçã dinâmica de infrmaçã gegráfica sbre estes mdels e mapas 3D, cuja descriçã é bject d presente artig. PALAVRAS-CHAVE: Mapas 3D, Planeament, Cmunicaçã, Prjecçã Víde, Interactividade. INTRODUÇÃO A representaçã da infrmaçã relativa a territóri é efectuada desde há váris séculs sb a frma de mapas plans. N cntext ds sistemas de infrmaçã gegráfica, s mapas sã utilizads essencialmente cm suprte da cmunicaçã de resultads analítics e cm elements essenciais para a discussã de prpstas e cenáris alternativs de desenvlviment, planeament e rdenament d territóri. Apesar das funcinalidades muit avançadas de visualizaçã interactiva 2D e 3D que caracterizam a actual tecnlgia SIG, s mapas em papel cntinuam a ter um papel predminante cm veícul de cmunicaçã de infrmaçã sbre territóri. O alargament ds prcesss de decisã às ppulações, clca prblemas de cmunicaçã a nível da dificuldade de interpretaçã da infrmaçã tpgráfica. Embra as pessas vejam e entendam facilmente a tpgrafia de uma qualquer zna de terren, mesm nã se passa quand essa infrmaçã é veiculada sb a frma de um mapa. As maquetas de mdels sólids de terren e s mapas 3D, sã hje uma alternativa as mapas plans, que permitem ultrapassar estas limitações, cnstituind uma pdersa ferramenta de cmunicaçã de infrmaçã gegráfica. Pela sua natureza, s mapas 3D destinam-se a representar a ttalidade da área abrangida pr um plan u prject de desenvlviment, na escala mais adequada a cada situaçã, e serem cnsultads pr várias pessas em simultâne. Estes mapas pderã assumir pr iss dimensões apreciáveis, e cm sucede cm qualquer mapa impress, s mapas 3D sã dcuments estátics. Cm bjectiv de facilitar a identificaçã de entidades espaciais nestes mdels e mapas 3D, nmeadamente de edifícis, de estradas u de áreas de planeament, e atendend à natureza intrinsecamente dinâmica ds cnteúds gegráfics, e ainda em alternativa as prcesss tradicinais de representaçã de infrmaçã espacial em maquetas de arquitectura, a CCCGemática desenvlveu um sistema dinâmic de representaçã de infrmaçã gegráfica sbre mapas 3D, para prjectar de frma dinâmica, sbre mdels sólids e mapas 3D, entidades espaciais seleccinadas em ambiente SIG.

2 MODELOS SÓLIDOS DE TERRENO E MAPAS 3D O que sã Um mdel sólid de terren é uma representaçã física tridimensinal, fiel e rigrsa, a uma dada escala, da tpgrafia de uma determinada zna gegráfica, tend cm base um mdel digital de terren (MDT) desse mesm territóri. A partir de um MDT cm uma resluçã adequada à escala de representaçã pretendida, é criad de frma autmática, um mdel sólid d terren, maquinand para efeit uma placa de pliuretan de alta densidade, num equipament de crte de cntrl numéric. Um mapa 3D será resultad da impressã em 3 dimensões, sbre um mdel sólid de terren, de uma mapa u imagem da mesma zna gegráfica, gereferenciad a respectiv MDT. A imagem representará infrmaçã gegráfica de interesse para essa zna, adequada as bjectivs a que mapa 3D se destina, e pderá incluir, nmeadamente, imagem de satélite, rtftgrafia digital, infrmaçã gegráfica vectrial, infrmaçã temática e dads gráfics. Um mapa 3D será assim, uma representaçã tridimensinal de um mapa 2D sbre um mdel sólid de terren, seguind um prcess que se pretende ilustrar esquematicamente, cm a seguinte sequência de imagens: Tpgrafia em 2D Mdel Sólid de Terren Mdel Sólid de Terren e Mapa 2D Mapa 3D Que vantagens pssuem Os mapas 3D, também designads pr maquetas de mapas 3D, sã dcuments de cmunicaçã pr excelência. A cntrári ds mapas tradicinais impresss em 2 dimensões, que exigem algum trein de interpretaçã, s mapas 3D nã exigem qualquer experiência e/u trein na sua leitura e interpretaçã, send imediatamente perceptível a quem s bserve, aspects tã imprtantes cm relev, a inclinaçã e expsiçã das encstas e a visibilidade. Sã pr iss dcuments cnsensuais de apresentaçã de infrmaçã, que asseguram um entendiment cmum da infrmaçã representada, e cm tal essenciais em qualquer prcess que envlva a apresentaçã de infrmaçã gegráfica a audiências diversificadas. Estes mapas 3D pdem ser utilizads cm evidentes vantagens de facilidade de cmunicaçã, num vastíssim leque de aplicações, das quais se pderã destacar a apresentaçã e discussã de plans de rdenament e prjects de desenvlviment, a avaliaçã de impactes ambientais, planeament de acções da Prtecçã Civil e de cmbate a fgs flrestais, a divulgaçã de infrmaçã em câmaras municipais, parques, áreas prtegidas e psts de turism, e na divulgaçã científica em museus, expsições, parques de ciência, centrs de interpretaçã e centrs de educaçã ambiental. Cm sã prduzids Os mapas 3D sã prduzids em três fases distintas, cm recurs a uma cmbinaçã de tecnlgias invadras desenvlvidas e patenteadas pela Slid Terrain Mdelling Inc.:

3 1. Numa primeira fase, recrrend a um prcess de crte mecânic sbre uma placa de pliuretan de alta densidade, é prduzid a partir de um MDT e a uma dada escala, mdel físic tridimensinal d terren representad nesse MDT. 2. Uma vez criad mdel físic tridimensinal cm a tpgrafia d terren, a sua superfície é preparada para impressã, mediante a aplicaçã de um primári regularizadr. 3. A fase final cnsiste na prduçã d mapa 3D prpriamente dit, imprimind sbre mdel físic da tpgrafia d terren, uma imagem 2D gereferenciada a MDT. Neste prcess, é utilizada tecnlgia de impressã jact de tinta cm 4 cabeças de impressã (CMYK), send a psiçã vertical de cada cabeça de impressã cntrlada individualmente, pels valres de elevaçã que cnstam d MDT representad n mdel. Prcess de crte de um painel d mapa 3D d Ri Clumbia (USA) Impressã de mapa 3D d Mnte Evereste Uma maqueta de mapa 3D pde ser cnstituída pr múltipls paineis, cm bjectiv de prduzir mapas 3D de muit grande dimensã. N cas de a dimensã de um mapa 3D ser superir a 1.2 x 2.4 metrs, que é a dimensã máxima de cada painel, será necessári recrrer à cmpsiçã d mapa 3D em múltipls paineis de mapas 3D. Mesm n cas de um mapa 3D cm mens de 1.2 x 2.4 metrs, pder-se-á ptar pela utilizaçã de dis u mais paineis, cm bjectiv de melhrar a prtabilidade desse mapa 3D. N cas d mapa 3D d Grand Canyn em expsiçã n Natinal Gegraphic Explrers Hall, cuja dimensã ttal é de 1.95 pr 16.5 metrs, fram utilizads na sua cmpsiçã 14 paineis cm 1.95 x 1.17 metrs. O reduzid pes ds paineis, resultante da baixa densidade da espuma de pliuretan utilizada na sua prduçã, permite adptar cm simplicidade, sluções de instalaçã alg invulgares, cm acntece neste cas, em que mapa 3D fi clcada n tect, em psiçã invertida. Especificações Técnicas Para prduzir um mapa 3D é necessári dispr ds seguintes dads, para cada um paineis que cnstituam: 1. Um mdel digital de terren, 2. Uma imagem gereferenciada a mdel. A qualidade d mapa 3D será determinada pel rigr e densidade de pnts d mdel, pela qualidade da imagem que irá veicular a infrmaçã que se pretende representar, na perspectiva da côr, da resluçã da imagem e d seu cnteúd infrmativ, pel rigr da gereferenciaçã da imagem a mdel, e pela qualidade d msaic de imagens e mdels, n

4 cas de mapas 3D cnstituíds pr paineis múltipls. O mdel digital de terren deverá ter uma resluçã suficiente para garantir n mínim 10 e n máxim 25 pnts pr plegada (ppi) à escala d mdel físic. N cas de a resluçã d MDT ser superir à resluçã máxima admissível, sftware de cntrl da peraçã de crte, efectuará a reamstragem autmática d MDT para 25 ppi. Os frmats de MDT suprtads sã s seguintes: ArcInf Grid, Ascii Grid Erdas Imagine (.IMG), Surfer Grid (.GRD), GeTIFF (.TIF u.tif/tfw), Band Sequential (.BSQ) A infrmaçã de prjecçã d MDT é um requisit. N cas ds frmats BSQ e Ascii Grid é necessári frnecer infrmaçã cmplementar sbre a rigem da imagem, resluçã, etc. N que se refere à imagem a imprimir sbre mdel, esta deverá ter entre 72 dpi e 300 dpi à escala d mdel. Embra sejam suprtads muits frmats de imagem, nmeadamente BMP, JPEG, PSD, EPS Illustratr e Crel Draw, frmat mais adequad é TIFF nã cmprimid cm cres CMYK. Embra as imagens pssam ser frnecidas em RGB, estas serã sempre cnvertidas para CMYK antes da impressã. A tabela a seguir apresentada, indica para diferentes escalas de representaçã, quais s limites para a resluçã ds DTM e das imagens. Pr uma questã de qualidade final d resultad, deverã ser privilegiadas em geral, as resluções mais elevadas. Exager Vertical Uma das questões que imprta definir na prduçã de um mapa 3D, cnsiste na esclha d exager vertical a utilizar para mdel digital de terren. Embra a recmendaçã base seja a de nã exagerar relev, pis tal exager intrduz uma distrçã na realidade que se pretende representar na maqueta 3D, nã é mens verdade que, sbretud cm escalas pequenas, é necessári exagerar relev para se pder bservar prmenres que, cas cntrári, nã seriam visíveis. O exager vertical máxim está cndicinad pela espessura máxima da placa de pliuretan que é pssivel crtar e imprimir, e que é actualmente de 55 cm. Adicinalmente, há que ter em cnsideraçã que, pr questões estruturais, é necessári assegurar uma espessura mínima d painel na cta mais baixa d mdel, e que esta espessura mínima aumenta cm aument das dimensões de cada painel. A qualidade d prcess de crte e de impressã e a experiência acumulada cm algumas centenas de paineis já prduzids, sugere que valr máxim para exager vertical seja de 5 a 6 vezes para escalas muit pequenas, da rdem de 1: u inferires, e de 1.5 vezes para escalas da rdem d 1:10.000, cm tendência para um exager nul n cas de escalas maires. PROJECÇÃO DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA Intrduçã Uma pessa que bserve um mapa 3D, identificará de imediat as características físicas de relev d terren representad, nmeadamente declives, expsições, visibilidades, linhas de fest e de cumeada, mesm que nã cnheça a zna em apreç. Numa fase seguinte, e admitind que esse mapa 3D cntenha rtftgrafia, essa mesma pessa tentará identificar n mapa elements facilmente recnhecíveis, cm sejam pr exempl estradas, ris e ribeiras, cnstruções e manchas flrestais. Para fazer, recrrerá a seu cnheciment pessal da zna, cas pssua, a indicações de quem cnheça a zna, a mapas u fichas auxiliares de interpretaçã, u a dispsitivs destinads a assinalar n mapa 3D, s elements de mair relevância.

5 É frequente utilizar-se para efeit, e nmeadamente em maquetas de arquitectura, em geral prduzidas a escalas 1:2000 u superires, dispsitivs de iluminaçã eléctrica baseads em leds e fibras ópticas, e cntrlads pr btneiras fixas u pr aplicações multimédia. Esta técnica, que tem incnveniente de ser uma técnica destrutiva, na medida em que exige a perfuraçã da maqueta ns lcais a assinalar, para clcar s referids leds u fibras ópticas, é simultaneamente demasiad limitada na perspectiva da representaçã em mapas 3D, de cnteúds gegráfics que sã ptencialmente muit vasts e variads, e intrinsecamente dinâmics. Assim send, é essencial permitir que, qualquer infrmaçã gegráfica relativa a territóri representad num mdel sólid de terren, pssa vir a ser representada sbre este mdel físic, em cmplement d mapa 2D representad nesse mdel, u até mesm em sua substituiçã. Para ultrapassar a limitaçã da tecnlgia tradicinal de leds e fibras ópticas, e cumprir este desiderat, a CCCGemática desenvlveu sftware GIS2Map3D, um sistema dinâmic de representaçã de infrmaçã gegráfica em mapas 3D, que utiliza actualmente tecnlgia víde e que prevems venha a utilizar num futur próxim, também tecnlgia laser. O Sftware GIS2Map3D O sftware GIS2Map3D tem cm bjectiv representar infrmaçã espacial dispnível numa base de dads gegráfica, sbre um mdel sólid de terren u sbre um mapa 3D, de uma qualquer zna circunscrita a dmíni espacial dessa mesma base de dads gegráfica, prjectand-a a partir de um pnt de prjecçã clcad numa psiçã Xp, Yp, Zp, d referencial X, Y, Z d mapa 3D. Existem basicamente duas tecnlgias, que pdem ser utilizadas nesta prjecçã de infrmaçã espacial, nmeadamente víde e laser, cm as seguintes vantagens e incnvenientes: Tecnlgia víde Prjecçã a cres em standard, Baix cust actual ds prjectres víde, cm resluções XGA e SXGA, e elevada luminsidade (1600+ lumens) Intervals de manutençã alargads (2000 a 4000 hras u superir), Área de prjecçã limitada pela distância a que se encntra prjectr (p.ex. 1.5x1.1 metrs a uma distância de 2.5 metrs), A dimensã d pixel de prjecçã aumenta cm aument da distância de prjecçã, Necessidade de recrrer a mais d que um prjectr víde, n cas de mapas 3D de grande dimensã, Pssibilidade de prjectar infrmaçã vectrial e infrmaçã imagem, Necessidade de cmpensar as eventuais distrsões ópticas de cada prjectr. Tecnlgia laser

6 Prjecçã standard mncrmática, Prjecçã a cres cm custs significativamente acrescids, Tecnlgia mais cara e cmplexa, Manutençã mais especializada e em intervals tendencialmente mais curts, A sua utilizaçã está sujeita a cuidads especiais de segurança, Prjecçã semi-esférica, send a adpçã de um segund prjectr determinada apenas pela eventual clusã d feixe laser pel relev n mapa 3D, A resluçã d feixe laser nã é afectada pela distância de prjecçã, Prjecçã limitada ainfrmaçã vectrial. Embra a arquitectura d sftware GIS2Map3D tenha sid pensada de md a permitir utilizar qualquer destas duas tecnlgias de prjecçã, numa fase inicial, e atendend às maires exigências da tecnlgia laser, sftware fi desenvlvid e testad cm recurs exclusiv a prjecçã víde. Assim send, fazem parte das capacidades d sftware GIS2Map3D as seguintes funcinalidades: Prjecçã de bjects gegráfics vectriais sbre mapas 3D e mdels sólids de terren, utilizand cres e efeits cntrlads pel utilizadr, Pssibilidade dividir a área rectangular d mapa 3D, em múltiplas janelas virtuais, assciand a cada uma um dispsitiv de prjecçã víde específc, Pssibilidade de prjectar imagens e mapas gereferenciads, e cm tal, de representar a evluçã tempral de diferentes tips de fenómens, cm pr exempl a prpagaçã de fgs (em desenvlviment). Arquitectura O GIS2Map3D fi desenvlvid em Java, tend cm base uma arquitectura em 3 camadas: 1. Cliente 2. Servidr 3. Cntrladr de prjecçã A camada cliente executa em aplicações SIG crrentes, cm pr exempl em ArcGIS Arcview u n âmbit de uma aplicaçã multimédia, e tem cm bjectiv estabelecer a ligaçã cm s dads gegráfics, passand a servidr pedids para a prjecçã de bjects gegráfics. Esses pedids sã efectuads utilizand um frmat abert de descriçã de bjects gegráfics, d qual cnsta infrmaçã relativa à simblgia e a métd e efeits de desenh a adptar. Sftware SIG u Aplicaçã Multimedia Cliente GIS2Map3D BD SIG Servidr GIS2Map3D Cntrladr de Prjecçã... Prjectres A camada servidr recebe s pedids de prjecçã de bjects gegráfics e transfrma-s em instruções de desenh específicas para cada um ds prjectres vide em utilizaçã. Para efeit, é utilizad um ficheir de parâmetrs, de que cnstam nmeadamente: 1. A extensã espacial d mapa 3D, 2. A extensã espacial de cada uma das janelas virtuais em que mapa 3D está dividid, 3. A lcalizaçã X p, Y p, Z p de cada prjectr, 4. Os parâmetrs de calibraçã de cada prjectr, 5. O mdel digital de terren utilizad na prduçã d mapa 3D, nde figura valr de Z para cada pnt X,Y d mapa 3D.

7 Alguns destes parâmetrs sã definids à priri e cas a cas, cm resultad da dimensã d mapa 3D e das cndições de prjecçã pssíveis e admissíveis. Os restantes parâmetrs, nmeadamente s referids ns pnts 3 e 4, sã calculads n âmbit de um prcess interactiv de calibraçã, a efectuar cm GIS2Map3D, individualmente para cada janela virtual e prjectr utilizad. O cntrladr de prjecçã é um hardware equipad cm uma u mais placas gráficas dual-head, às quais se ligam s cabs víde de cada prjectr utilizad, e que executa uma cmpnente d sftware GIS3Map3D, que se limita na prática a despachar pedids d servidr para cada saída víde. Será também neste sistema que serã instaladas futuramente, as placas cntrladras ds prjectres laser. CONCLUSÕES O resultad da cmbinaçã da utilizaçã de mapas 3D cm sftware GIS2Map3D, cnstitui uma sluçã cmpleta de interpretaçã e de representaçã de infrmaçã espacial em 3D, destinada a a ser utilizada cm audiências vastas e diversificadas, em múltiplas situações de apresentaçã de plans e prjects, cm pr exempl na apresentaçã e discussã pública de um Plan Directr Municipal u da sua revisã. Neste cas, uma maqueta 3D d cncelh, tend impressa a respectiva rtftgrafia, frnecerá um cntext espacial para plan, facilmente interpretável pr qualquer pessa que a bserve. Um sistema de prjecçã, cntrlad a partir de uma aplicaçã multimédia u de uma aplicaçã SIG, utilizand sftware GIS2Map3D, permitirá assinalar sbre mapa 3D d cncelh, quaisquer elements gegráfics relevantes, nmeadamente das cartas de znament, de restrições e de cndicinantes d respectiv PDM. Carls Cucel, Engº carls@cccge.cm Carls Cucel é cnsultr SIG e Directr da empresa Carls Cucel Cnsultria Gemática Lda. Licenciu-se em Engª Mecânica (Termdinâmica Aplicada ) pel IST em Fi assistente d IST até Dezembr de 1988, n Departament de Matemática e n CIIST. Fi membr d Grup de Trabalh d CNIG ns ans de 1986 a De 1 de Janeir de 1989 a 31 de Janeir de 2001 integru s quadrs da OCTOPUS/ESRI Prtugal, nde, cm cnsultr, Directr Técnic e Directr de Sftware, desenvlveu actividades de cnsultria, análise, crdenaçã e gestã de prjects de frmaçã e de desenvlviment de sistemas e aplicações. Em Mai de 1999, fi-lhe utrgad pela Ordem ds Engenheirs, títul de Engenheir Especialista em Sistemas de Infrmaçã Gegráfica. Rita Cresp, Drª ritacresp@cccge.cm Rita Cresp é cnsultra SIG e de Detecçã Remta da empresa Carls Cucel Cnsultria Gemática Lda. É licenciada em Bilgia - Recurss Faunístics e Ambiente - pela Faculdade de Ciências da Universidade de Lisba (1989). Entre 1989 e 1992 fi Engª Júnir d cnsórci SATCART (prgrama NATO- Science fr Stability), e cnsultra SIG na VÃO. Entre 1992 e 1996 trabalhu na Gegraf cm Directra Cmercial, Directra de Prjects e respnsável pel Departament de frmaçã SIG e Detecçã Remta. A partir de 2001 trabalhu cm cnsultra SIG freelancer para diversas empresas e entidades ficiais, nmeadamente Celpa, Gemetral, Emprsil, Aliança Flrestal, ESRI-Prtugal, AFLOPS, INGA e Prlunp. Pedr Duarte, Engº pnduarte@aldape.pt Pedr Duarte é Bacharel em Engenharia Electrónica e Telecmunicações pel Institut Superir de Engenharia de Lisba (1995). Pssui uma vasta experiência prfissinal n desenvlviment de aplicações WebSIG em ambientes ArcIMS, Gemedia WebMap e MapServer, e de bases de dads e aplicações SIG em ArcSDE (Oracle e SQLServer) e ArcGIS. Fi Analista Prgramadr na Criterium (1991), técnic de manutençã infrmática na CONSISTE (1994/1996), Analista de Sistemas na OCTOPUS/ESRI Prtugal (1996/1999) e Gestr de Prjects na AmbiSIG (2000/2002). É actualmente directr e cnsultr nas áreas de Análise de Sistemas e de Sistemas de infrmaçã Gegráfica da Aldape.