Conceitos de Geoprocessamento

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1 Conceitos de Geoprocessamento Universidade Federal Fluminense / UFF Niterói, RJ 2014

2 SIGCidades: Mapeamento de Áreas Protegidas UFF - Instituto de Geociências - Departamento Análise Geoambiental UFF - Pró-Reitoria de Extensão MEC - Programa de Extensão MCidades -Programa Nacional de Capacitação das Cidades APRESENTAÇÃO O Ministério das Cidades, dentro do Programa Nacional da Capacitação das Cidades, visando o fortalecimento da capacidade técnica e institucional dos municípios nas áreas de planejamento, serviços urbanos e gestão territorial, tem lançado editais, no âmbito do Programa de Extensão Universitária (ProExt) do MEC, destinados à qualificação de técnicos municipais em Sistemas de Informações Geográficas (SIG). O projeto SIGCidades, desenvolvido pela Universidade Federal Fluminense (UFF) desde 2008, tem como objetivo o desenvolvimento de ações visando à capacitação de técnicos de prefeituras do estado do Rio de Janeiro no gerenciamento e tratamento de dados geográficos em SIG para fins de ordenamento territorial municipal. SIGCidades 2014 é dedicado ao tema o uso das Geotecnologias para o Mapeamento de Áreas Protegidas.

3 SIGCidades: Mapeamento de Áreas Protegidas UFF - Instituto de Geociências - Departamento Análise Geoambiental UFF - Pró-Reitoria de Extensão MEC - Programa de Extensão MCidades -Programa Nacional de Capacitação das Cidades - Sistemas de Informações Geográficas Estudo Dirigido em SIG 2ª edição revisada Cristiane Nunes Francisco Niterói, julho 2014.

4 Sistemas de Informações Geográficas Sistemas de Informação Geográfica e Geoprocessamento Até o advento da informática, a manipulação de dados geográficos era feita através de mapas e outros documentos impressos ou desenhados em uma base de papel. Esta característica impunha algumas limitações, como (1) na análise combinada de mapas oriundos de diversas fontes, temas e escalas e (2) na atualização dos dados, neste caso, era necessária a reimpressão/redesenho em outra base. A partir da metade do século XX, os dados geográficos passam a serem tratados por um conjunto de técnicas matemáticas e computacionais denominadas de Geoprocessamento. Para Câmara et al. (2005), uma nova ciência estaria surgindo, denominada de Ciência da Geoinformação, que teria como objetivo o estudo e a implementação de diferentes formas de representação computacional do espaço geográfico, pois, trabalhar com a geoinformação significa, antes de mais nada, utilizar computadores como instrumentos de representação de dados espacialmente referenciados. Este tema é bastante controverso, pois há outros que consideram o Geoprocessamento como a automatização de processos de tratamento e manipulação de dados geográficos que antes eram feitos manualmente. Os Sistemas de Informação Geográfica (SIG) correspondem às ferramentas computacionais de Geoprocessamento, que permitem a realização de análises complexas, ao integrar dados de diversas fontes e ao criar bancos de dados georreferenciados (Câmara et al., 2005). Para Aronoff (1989), os SIG, projetados para a entrada, o gerenciamento (armazenamento e recuperação), a análise e a saída de dados, devem ser utilizados em estudos nos quais a localização geográfica seja uma questão fundamental na análise, apresentando, assim, potencial para serem utilizados nas mais diversas aplicações (Quadro 1). Burrough (1986) considera que estes sistemas não apresentam apenas a função de manipulação de dados geográficos, mas, dentro de um SIG, os dados estruturados representam um modelo do mundo real (Figura 1). Quadro 1: Exemplos de aplicações dos SIG. Finalidade Objetivo Exemplos de aplicação Definição das características do Projeto de loteamentos Projetos projeto Projeto de irrigação Delimitação de zoneamentos e Planos de manejo de unidades de Planejamento estabelecimento de normas e conservação territorial diretrizes de uso Planos diretores municipais Modelagem de processos hidrológicos Modelagem Estudo de processos e comportamento Gestão Banco de Dados Avaliação de riscos e potenciais Monitoramento Logístico Gestão de serviços de utilidade pública Armazenamento e recuperação de dados Identificação de locais susceptíveis à ocorrência de um determinado evento Acompanhamento da evolução dos fenômenos espaciais através de mapeamentos sucessivos no tempo Identificação de locais e rotas ideais Gerenciamento de rede abastecimento Cadastro urbano e rural Mapeamento de riscos ou potenciais Monitoramento da cobertura florestal Monitoramento da expansão urbana Definição da melhor rota Identificação de locais para implantação de empreendimento econômico 1

5 Sistemas de Informações Geográficas Mundo Real Universo de Representação Universo de Implementação Universo Matemático Figura 1: Representação do mundo real no ambiente computacional. Fonte: Adaptado de Câmara et al. (2005). As múltiplas operações apresentadas por um SIG podem ser classificadas em três grupos, de acordo com o fim a que se destinam (adaptado INPE, 2004): Gerenciamento de banco de dados geográficos armazenamento, integração e recuperação de dados georreferenciados de diferentes fontes, formatos e temas dispostos em um único banco de dados. Análises espaciais a partir de um banco de dados geográficos, são efetuados combinações e cruzamentos de dados por meio de operações geométricas e topológicas cujo resultado é a geração de novos dados. Produção cartográfica entrada, conversão e edição de dados, bem como de acabamento visando à apresentação final por forma impressa ou meio digital. Diferentemente dos sistemas de informação, os sistemas aplicativos utilizados em geoprocessamento não apresentam funções de banco de dados, mas desempenham tarefas específicas sobre a base de dados (RODRIGUES, 1990). Dentre estes sistemas, podemos destacar: CAD (Computer Aided Design - projeto auxiliado por computador) facilitam a elaboração de projetos de engenharia e arquitetura. Na cartografia digital, são empregados para a digitalização das bases cartográficas através da vetorização de um documento cartográfico, em formato raster, diretamente na tela ou de um documento impresso com auxílio de uma mesa digitalizadora. Estes sistemas apresentam recursos para apresentação com comandos sofisticados de edição gráfica, exibição e impressão. Processamento Digital de Imagens (PDI) executam operações de tratamento de imagens de sensoriamento remoto com auxílio da análise estatística, visando à melhoria da sua qualidade para extração de informações pelo analista humano. Dentre as operações disponíveis, podem ser destacadas as técnicas de realce, filtragens, operações algébricas, transformação por componentes principais e classificação. Modelos Numéricos de Terreno (MNT) geram uma superfície contínua representando a distribuição espacial de uma grandeza através da interpolação de pontos amostrais ou isolinhas. 2

6 Sistemas de Informações Geográficas Dados Geográficos Os dados geográficos descrevem os objetos do mundo real, com base (1) na localização geográfica - posição em relação a um sistema de coordenadas; (2) nos relacionamentos espaciais ou topológicos - relações espaciais entre objetos; e (3) em atributos temáticos - propriedades medidas ou observadas dos objetos (BARBOSA, 1997). Em um SIG, os dados geográficos são estruturados em planos de informação, também denominados de camadas. Os planos de informação, quando geograficamente referenciados (georreferenciados), ou seja, referenciados ao sistema de coordenadas terrestres (topográficas, geográficas ou planas), podem ser sobrepostos e representam o modelo do mundo real (Figura 2). Para que ocorra a correta sobreposição entre os planos de informação, é necessário que possuam projeção cartográfica, sistema de coordenadas e sistema referencial geodésico comuns, bem como tenham sido gerados em escalas aproximadas. Figura 2: Estrutura de dados dispostos em camadas. Fonte: ESRI (2004) Os planos de informação são compostos por uma coleção de elementos geográficos, denominados também entes ou entidades espaciais ou objetos, relacionados a um único tema ou uma classe de informação. Conceitualmente, em uma única camada não devem existir elementos que se sobreponham espacialmente, pois, como a camada contém elementos de um único tema, não é correto que um elemento pertença a duas classes do mesmo tema simultaneamente. Por exemplo, um elemento não pode pertencer a ambas as classes, floresta e área urbana, em um mapa de uso e cobertura da terra. No entanto, há exceções, como no caso do mapeamento de unidades de conservação, em que podem estar presentes unidades sobrepostas. Os elementos geográficos representam e descrevem os eventos e os fenômenos do mundo real através de duas componentes (Figura 3): Gráfica ou espacial corresponde aos planos de informação ou camadas que descrevem (1) a localização registrada pelo sistema de coordenadas geográficas, sistema de coordenadas da projeção ou sistema de coordenadas com uma origem local; (2) a 3

7 Sistemas de Informações Geográficas geometria que fornece informações sobre área, perímetro e forma; (3) a topologia que possibilita estabelecer as relações espaciais entre os elementos geográficos. Não-gráfica ou não-espacial ou alfanumérica descreve os atributos temáticos e temporais dos elementos geográficos, representados em forma de tabela estruturada ou de um banco de dados convencional. Figura 3: Estrutura dos dados em um SIG. A componente alfanumérica relaciona-se com a componente gráfica através de identificadores comuns, denominados geocódigos. A organização dos atributos é feita de acordo com técnicas convencionais de banco de dados. A maioria dos SIG utiliza o modelo relacional, baseado na estruturação dos dados em tabelas onde cada linha ou registro corresponde a um elemento geográfico representado graficamente no plano de informação. As colunas ou campos correspondem aos atributos dos elementos. 3- Modelo geométrico da componente gráfica Os modelos geométricos para a representação da componente gráfica no ambiente digital são vetorial e matricial, também denominado de raster. As operações dos SIG, para serem eficientemente executadas, requerem que os planos de informação estejam representados em um determinado modelo. Em geral, esses sistemas suportam os dois modelos geométricos. 4

8 Sistemas de Informações Geográficas Modelo Vetorial Na estrutura vetorial, a localização e a feição geométrica do elemento são armazenadas e representadas por vértices definidos por um par de coordenadas. Dependendo da sua forma e da escala cartográfica, os elementos podem ser expressos pelas seguintes feições geométricas (Figura 4): Pontos representados por um vértice, ou seja, por apenas um par de coordenadas, definindo a localização de objetos que não apresentam área nem comprimento. Exemplos: hospital representado em uma escala intermediária, cidade em uma escala pequena, epicentro de um terremoto, etc. Linhas poligonais ou arcos representados por, no mínimo, dois vértices conectados, gerando polígonos abertos que expressam elementos que possuem comprimento. Exemplos: estradas, rios, etc. Polígonos - representados por, no mínimo, três vértices conectados, sendo que o primeiro vértice possui coordenadas idênticas ao do último, gerando, assim, polígonos fechados que definem elementos geográficos com área e perímetro. Exemplos: limites político-administrativos (municípios, estados), classes de mapas temáticos (uso e cobertura do solo, pedologia), etc. Figura 4: Representação geométrica dos elementos geográficos. Fonte: ESRI (2004) Os elementos geográficos em um plano de informação podem ser compostos por um ou mais elementos gráficos. Os rios de uma bacia hidrográfica, por exemplo, formados por um conjunto de linhas poligonais, podem estar agrupados e armazenados como um único elemento. Outro exemplo refere-se aos limites político-administrativos, por exemplo, os municípios compostos por partes insular e continental são representados por um conjunto de polígonos agrupados formando um único elemento. Há outros casos em que o elemento é representado por um polígono e outro(s) contido(s) dentro deste, formando buracos, representando, por exemplo, um corpo d água no interior de uma mancha urbana (Figura 5). 5

9 Sistemas de Informações Geográficas (A) (C) (B) (A) Rios agrupados por bacia compondo um único elemento geográfico formado por mais de uma linha. (B) Município formado por mais de um polígono formando um único elemento geográfico. (C) Lagoa formada por um buraco em vários elementos geográficos. Figura 5: Representação dos elementos geográficos. As feições geométricas (ponto, linha e polígono), utilizadas para representação dos elementos, bem como a sua estrutura de armazenamento, estabelecem as relações espaciais entre os elementos geográficos, ou seja, relações espaciais existentes entre si e entre os outros elementos, denominadas de relações topológicas (Burrough, 1998). As relações espaciais são percebidas intuitivamente pelo leitor: ao analisar um mapa, por exemplo, os elementos que fazem fronteiras com outros elementos são facilmente identificados. Entretanto, como os sistemas computacionais não são capazes de perceber estas relações, para processamento de análises espaciais nos SIG, há necessidade de que estas sejam definidas explicitamente nos arquivos digitais que armazenam as feições geométricas dos elementos. A estrutura de armazenamento dos dados vetoriais pode ser topológica ou do tipo spaghetti (RIPSA, 2000). Na estrutura topológica (Figura 6), os relacionamentos espaciais entre os elementos geográficos, representados por nós, arcos e polígonos, estão armazenados em tabelas. Os nós são entidades unidimensionais que representam o vértice inicial e o final dos arcos, além das feições pontuais. Os arcos correspondem a entidades unidimensionais, iniciados e finalizados por um nó, podendo representar o limite de um polígono ou uma feição linear. Os polígonos, que representam feições de região, são definidos por arcos que compõem o seu perímetro. A topologia permite estabelecer as seguintes relações entre os elementos: Pertinência / Contingência os arcos definem os limites dos polígonos fechados delimitando uma área; Conectividade os arcos são conectados com outros a partir de nós, permitindo a identificação de rotas e de redes, como rios e estradas; e Contigüidade os arcos comuns definem a adjacência entre polígonos. 6

10 Sistemas de Informações Geográficas Figura 6: Topologia de polígonos, arcos e nós. Fonte: UNBC GIS LAB (2005) Na estrutura spaghetti, as coordenadas das feições são armazenadas linha a linha, resultando em arquivos contendo uma lista de coordenadas. A simplicidade desta estrutura limita a sua utilização em análises espaciais, já que pode gerar incongruências como as listadas na Figura # # # # # 04 # # # # 01 Estrutura spaghetti Estrutura topológica (1) arcos sem contigüidade (2) polígonos abertos sem área (3) arcos sem conectividade devido ao cruzamento de dois arcos sem presença de nó (4) polígonos adjacentes com sobreposição ou "buracos" Figura 7: Comparação entre a estrutura topológica e spaghetti. Fonte: Adaptado UNBC GIS LAB (2005) 7

11 Sistemas de Informações Geográficas Modelo Matricial No modelo matricial, também denominado raster, o terreno é representado por uma matriz M(i, j), composta por i colunas e j linhas, que definem células, denominadas de pixels (picture cell), ao se cruzarem (Figura 8). Cada pixel apresenta um valor referente ao atributo, além dos valores que definem o número da coluna e o número da linha, correspondendo, quando o arquivo está georreferenciado, às coordenadas x e y, respectivamente. Figura 8: Modelo de representação matricial. Neste tipo de representação, a superfície é concebida como contínua, onde cada pixel representa uma área no terreno, definindo a resolução espacial. Em dois documentos visualizados na mesma escala, o de maior resolução espacial apresenta pixels de menor tamanho e discrimina objetos de menor tamanho no terreno. Por exemplo, um arquivo com a resolução espacial de 1 m possui maior resolução do que um de 20 m, pois o primeiro pode discriminar objetos com tamanho em torno de 1 m, enquanto o segundo de 20 m (Figura 9). As medidas de área e distância são mais exatas nos documentos de maior resolução, mas, por sua vez, demandam mais espaço para o seu armazenamento. Figura 9: Imagens IKONOS (1m) e SPOT (20 m). 8

12 Sistemas de Informações Geográficas O modelo raster é adequado para armazenar e manipular imagens de sensoriamento remoto, ou seja, imagens da superfície terrestre geradas a partir da detecção e do registro da radiação eletromagnética refletida ou emitida por uma área da superfície terrestre por um sensor transportado em um veículo aéreo ou orbital. Os atributos dos pixels representam um valor proporcional à energia eletromagnética refletida, emitida ou retro-espalhada pela superfície terrestre. Para identificação e classificação dos elementos geográficos, é necessário recorrer às técnicas de processamento digital de imagem e de interpretação visual. 3.3 Modelo Vetorial x Modelo Matricial A eficiência na execução das operações de manipulação e tratamento dos dados em um SIG depende do modelo geométrico utilizado para sua representação (Quadro 2). Quadro 2: Funções do SIG de acordo com o modelo geométrico. Fonte: Adaptado Câmara et al. (2005). Função Representação Vetorial Representação Matricial Relações espaciais entre objetos Relacionamentos topológicos entre objetos disponíveis Relacionamentos espaciais devem ser inferidos Ligação com banco de dados Facilita associar atributos a Associa atributos apenas a elementos gráficos classes do mapa Representa melhor fenômenos Representação indireta de Análise, Simulação e com variação contínua no espaço fenômenos contínuos Modelagem Simulação e modelagem mais Álgebra de mapas é limitada fáceis Algoritmos Problemas com erros geométricos Processamento mais rápido e eficiente. O modelo vetorial permite que os relacionamentos topológicos estejam disponíveis junto aos objetos, já no modelo matricial eles devem ser inseridos no banco de dados. Essa propriedade possibilita que os arquivos vetoriais sejam mais adequados à execução de consultas espaciais. A associação entre o atributo e a componente gráfica também é mais adequada ao vetorial, já que neste modelo um elemento é identificado como único, enquanto no raster esse é definido por um conjunto de pixels que possuem um atributo comum. Assim, operações de consultas aos atributos são mais adequadas de serem executadas nos arquivos vetoriais. Por outro lado, a representação da superfície por pixels permite que os fenômenos contínuos sejam adequadamente representados no modelo matricial. No modelo vetorial, para cada variação da magnitude do fenômeno, há necessidade de criação de um novo elemento. Por isso, o modelo matricial é utilizado nas imagens de sensoriamento remoto. A representação contínua da superfície facilita a realização de simulação e modelagem. O raster também facilita as operações algébricas entre camadas (operações com matrizes), correspondendo a operações algébricas entre os pixels de camadas sobrepostas corretamente, ou seja, georreferenciadas, e com mesma resolução espacial. Esse processamento é utilizado na elaboração de mapas de susceptibilidade (potencial/risco), onde o valor obtido por cada pixel, após as operações algébricas, pode ser classificado em níveis de susceptibilidade (baixo, médio, alto). 9

13 Sistemas de Informações Geográficas Modelagem de dados em SIG Ao se adotar o SIG como o recurso de tratamento e análise de dados em um projeto, o primeiro passo a ser efetuado é gerar um modelo de análise que represente o objeto de estudo e que seja baseado no objetivo do projeto. Este modelo deve conter as seguintes componentes: a base de dados, os tipos de processamento e os resultados alcançados em cada etapa. Para definição da base de dados é necessário estabelecer as variáveis que compõem o objeto de estudo e necessárias para alcançar o objetivo do trabalho, por isso é fundamental que o pesquisador tenha conhecimento profundo do comportamento do fenômeno que está estudando. Por exemplo, caso o objetivo seja identificar as áreas sujeitas a enchentes, devem ser levantadas os dados que influenciam na ocorrência deste evento, como hidrografia, uso e cobertura da terra, altimetria etc. Nesta etapa, devem ser definidos: as propriedades cartográficas dos dados (escala, projeção, SGR), o modelo geométrico de representação (vetor ou raster), a unidade territorial de integração dos dados ou análise de dados (bacia hidrográfica, municípios etc.), as fontes disponíveis de dados e os métodos de coleta. Os dados são representados por planos de informação e, para que sejam corretamente sobrepostos, devem ser conhecidos o sistema de coordenadas, a projeção cartográfica e o sistema geodésico de referência (SGR), e as escalas devem ser aproximadas. O processamento dos dados corresponde às operações de tratamento e de análise dos dados. O tratamento destina-se à montagem e à preparação da base de dados, consistindo em operações como: conversão dos dados para o formato digital (digitalização), adequação da base de dados às propriedades cartográficas, construção das tabelas de atributos, e especificação dos geocódigos. Com a base de dados construída, o processamento seguinte consiste em operações de análise que se destinam a atingir o objetivo do projeto propriamente dito. Algumas destas operações estão descritas no próximo item. Durante o processamento dos dados, são gerados resultados intermediários e, sobre estes, são executadas novas operações até atingir-se o resultado final. Tanto os produtos intermediários quanto o final devem ser definidos no modelo de análise. Uma boa dica para a geração do modelo de análise é construí-lo com base em um fluxograma. A Figura 10 representa um modelo de análise de dados cujo objetivo é a identificação de áreas urbanizáveis a partir do mapeamento da legislação ambiental e urbanística. Neste estudo, foram consideradas como restrições legais à urbanização: Declividade do terreno o Código Florestal e a Lei de Parcelamento do Solo restringem à ocupação de acordo com a declividade. Essa foi gerada através do MNT elaborado com base nas curvas de nível. Mata Atlântica o projeto de lei da Mata Atlântica restringe à ocupação de acordo com os estágios de sucessão. Para identificar essas áreas, foram utilizadas imagens de sensoriamento remoto. 10

14 UFF-GAG/PROEX - PROEXT-MEC/MCidades - SIGCidades: Mapeamento de Áreas Protegidas Sistemas de Informações Geográficas Hidrografia o Código Florestal considera como áreas de preservação permanente aquelas localizadas próximas aos rios. Para definição desses locais, foram construídas áreas de proximidade em torno dos cursos d água. Unidades de conservação a presença de unidades restringe à ocupação e o uso da terra de acordo com a sua categoria. Plano diretor municipal no zoneamento municipal são estabelecidas as áreas destinadas à preservação e outras onde não há restrição à ocupação. Esses dados, representados em planos de informação, foram cruzados, obtendo como resultado a delimitação das áreas com restrições legais à ocupação e daquelas onde a ausência de todas variáveis indica que a urbanização é legal (Figura 11). De 0 Plano Diretor Municipal 2,5 Km Domínio da União Zona de Preservação Parque Nacional da Bocaina Zona Rural Reserva Indígena Zona Urbana Outros Decreto Mata Atlântica Mata Atlântica Primária ou Secundária Obs. Devido à escala, não está representada APA de Tamoios APP Manguezal Faixa marginal Parcelamento do Solo e Código Florestal Área com declividade acima de 30% Figura 11: Mapa de restrições legais ao uso e ocupação da terra\ Angra dos Reis, RJ. 5- Operações de análise de dados de um SIG A quantidade de operações que um SIG pode executar é numerosa, podendo ser classificadas em três grupos. No grupo relacionado à produção cartográfica estão inseridas operações de entrada, conversão e edição de dados, bem como aquelas destinadas ao acabamento visando à apresentação final de forma impressa ou digital. No grupo das operações relacionadas ao gerenciamento de banco de dados geográficos estão inseridas as operações de montagem, preparação e recuperação de dados. O grupo de operações relacionadas à análise espacial dos dados gera novas informações a partir da base de dados existente. Abaixo são apresentadas as principais operações presentes no SIG. 5.1 Associação entre plano de informação e tabela de atributos A associação entre um plano de informação e uma tabela de atributos é feita a partir de um campo comum entre eles (Figura 12). Essa associação possibilita que, na seleção de 11

15 Sistemas de Informações Geográficas elementos, sejam conjuntamente selecionados a componente gráfica e os atributos da tabela vinculados aos elementos selecionados. Figura 12: Associação entre a camada e tabela de atributos. Duas camadas também podem ser diretamente vinculadas, a partir da associação entre elementos geográficos de uma camada aos de outra camada, tendo como base a localização desses elementos. Quando o vínculo espacial é estabelecido entre duas camadas do tipo ponto ou do tipo linha, o critério para a associação é a distância entre os elementos de cada camada. Caso uma das camadas seja do tipo polígono, a pertinência ou a interseção entre os elementos geográficos é analisada. No vínculo espacial estabelecido pela distância pode haver a opção de que seja calculada a distância entre os dois elementos como um atributo a ser acrescentado à tabela. Esta operação é apropriada para calcular a menor distância entre dois elementos pertencentes a duas camadas distintas. 5.2 Consulta por atributos Operações de consultas visam à recuperação da informação a partir da formulação de condições. Em um banco de dados geográficos, como no caso dos SIG, as condições podem ser estabelecidas com base nos atributos ou na localização dos elementos geográficos (consulta espacial). Como resultado das consultas, elementos geográficos são selecionados e, sobre eles, outras operações podem ser executadas, como: novas consultas, criação de uma nova camada apenas com os elementos selecionados, cruzamento de camadas etc. As consultas por atributos são baseadas em expressões compostas por campos da tabela, operadores e os valores de atributos, do tipo: [campo] <operador> valor. Geralmente, os SIG utilizam SQL (Structured Query Language), linguagem de programação utilizada para acessar e gerenciar banco de dados. Nesta linguagem, os operadores utilizados são: = (igual), <> (diferente), => (maior e igual), <= (menor e igual), > (maior), < (menor) e LIKE (como). Caso a consulta seja composta por mais de uma expressão, um dos seguintes operadores lógicos é utilizado para unir as duas expressões (Figura 13): 12

16 Sistemas de Informações Geográficas AND (interseção) - os elementos, para serem selecionados, devem atender as condições de ambas as expressões; OR (união) - os elementos, para serem selecionados, devem atender apenas a condição de uma expressão; NOT (negação) - os elementos, para serem selecionados, não devem atender a condição da expressão precedida por este operador. 5.3 Consulta espacial Figura 13: Operação de consulta aos atributos. As consultas espaciais são formuladas a partir de condições baseadas na localização, na forma e nas relações topológicas dos elementos geográficos (Figura 14): Proximidade seleção de elementos tendo como base a distância entre eles; Adjacência ou vizinhança seleção de elementos com base na existência de limites comuns entre elementos. Com esta condição, é possível selecionar linhas ou polígonos que apresentam vértices comuns; Pertinência estabelecida pela condição de elementos estarem contidos em polígonos ou de polígonos conterem elementos; Interceptação ou interseção - estabelecida pela condição de elementos (linhas e polígonos) cruzarem com outros elementos; e Geometria definida pela existência de elementos que apresentam geometria idêntica. 13

17 Sistemas de Informações Geográficas Figura 14: Condições de seleção por localização 5.4. Elaboração de cartogramas Esta operação destina-se ao estabelecimento de uma representação gráfica comum (cor, tipo, símbolo, padrão e tamanho) dos elementos geográficos a partir da classificação dos atributos, ou seja, os atributos pertencentes a uma mesma classe apresentam a mesma representação gráfica. O número de classes, o tipo de classificador e a representação gráfica dos elementos são definidos pelo usuário. Os tipos de classificadores mais comuns são (Figura 15): Quantil as classes possuem o mesmo número de elementos. A partir da definição do número de classes, os intervalos são estipulados definindo o número de elementos de cada classe, obtido através da divisão entre o número total de elementos e número de classes. Intervalos iguais / Passos iguais as classes devem possuir o mesmo intervalo, calculado pela subtração entre o valor máximo e valor mínimo do atributo a ser classificado e, posteriormente, dividindo este valor pelo número de classes. Desvio padrão as classes são determinadas com base na soma e na subtração do desvio padrão da média do atributo a ser classificado, gerando, assim, respectivamente, as classes acima da média e as classes abaixo da média. Quebras naturais classes são estabelecidas utilizando o algoritmo denominado Otimização de Jenks para classificar os atributos. Este algoritmo agrupa os atributos 14

18 Sistemas de Informações Geográficas baseado no menor erro possível, definido pela soma dos desvios absolutos da classe mediana ou, alternativamente, a soma dos desvios quadrados da classe média (ESRI, 2004). Valor único - utilizado para dados qualitativos. Os atributos com mesmo valor são inseridos na mesma classe. Intervalos iguais Quantil (Valor máx valor mín) / número de classes = (97-77) / 3 = 6 Taxa de Alfabetização % % % Nº de elementos / número de classes = 91 / 3 = 30 Taxa de Alfabetização % % % Quebras naturais Taxa de Alfabetização 77-85% 86-90% 91-97% Desvio Padrão DP =Desvio padrão < -3 DP DP DP -1-0 DP Média 0-1 DP 1-2 DP Figura 15: Mapas de demografia do Rio de Janeiro segundo vários classificadores. Dependendo da distribuição dos dados, um determinado tipo de classificador é adequado. No caso de dados que apresentam uma tendência de distribuição uniforme em todos os intervalos, a classificação utilizando intervalos iguais ou quantil é apropriada. No caso de dados intervalos fixos, como, por exemplo, porcentagens e temperaturas, o classificador intervalos iguais pode ser uma boa opção. Para dados com distribuição não uniforme, os classificadores por quebras naturais e desvio-padrão são as melhores opções. No caso deste tipo de distribuição, a classificação feita pelos classificadores - quantil e intervalos iguais - pode resultar em interpretações incorretas, já que estes podem agrupar em uma mesma classe elementos com valores de muito grande amplitude entre si e separar elementos com menor amplitude entre si. 15

19 Sistemas de Informações Geográficas Cálculo de medidas lineares e de área Uma das operações básicas de um SIG é o cálculo de medidas lineares e de área, desde que a base de dados esteja em uma estrutura topológica e corretamente georreferenciada. Podem ser calculados: a distância entre elementos geográficos, a extensão de feições lineares, e a área e o perímetro de feições poligonais. Com base nessas medidas, outros cálculos podem ser feitos, como, por exemplo, densidade por área, indicadores de fragmentação e da geometria de bacias hidrográficas. 5.6 Cruzamento de planos de informação Uma das funções mais relevantes em um SIG é o cruzamento de planos de informação, que gera um novo plano com as feições gráficas originadas do cruzamento das camadas envolvidas e com os atributos de um ou de todos os planos cruzados. Os cruzamentos podem ser dos seguintes tipos (Figura 16): Interseção - a partir do cruzamento de duas ou mais camadas, é gerado um novo plano com a área de abrangência correspondendo à interseção das camadas cruzadas. Os atributos podem ser de todos ou apenas de um plano cruzado. União a partir do cruzamento de duas ou mais camadas, é gerado um novo plano com área de abrangência correspondendo à união das camadas cruzadas. Os atributos podem ser de todos ou apenas de um plano cruzado. Diferença - a partir do cruzamento de duas ou mais camadas, é gerado um novo plano com área de abrangência correspondendo à diferença entre as camadas cruzadas. Os atributos podem ser de todos ou apenas de um plano cruzado. 5.7 Criação de áreas de proximidade Interseção conservam-se os atributos das duas camadas sobrepostas e a interseção da área das duas camadas. União conservam-se os atributos das duas camadas sobrepostas e a união da área das duas camadas. Figura 16: Cruzamento de planos de informação. Esta função gera polígonos buffer no entorno de elementos a partir de uma distância definida pelo usuário ou de um atributo de distância vinculado aos elementos. Na primeira opção, ou seja, quando um valor único de distância é especificado, são criados um ou mais polígonos com a distância igual no entorno dos elementos (ponto ou linha) ou do seu 16

20 Sistemas de Informações Geográficas perímetro (polígono). Na segunda opção, o atributo vinculado aos elementos estabelece a distância para geração dos polígonos; neste caso, o buffer construído no entorno de cada elemento varia segundo esse valor (Figura 17). No caso de polígonos, também pode haver a opção de construção do buffer no entorno externo ou interno. 5.8 Agregação de dados Figura 17: Opções na construção de buffers. Esta função gera uma nova camada a partir da agregação espacial de elementos com base em um atributo comum. Assim, a partir de uma camada com elementos com menor agregação espacial, uma nova camada pode ser gerada com elementos apresentando maior agregação, por exemplo: municípios podem ser agregados em microrregiões. Da mesma forma, os atributos podem ser tratados, ou seja, uma nova tabela pode ser construída a partir da agregação de registros com base em um atributo comum. A agregação dos elementos pode ocorrer a partir de medidas estatísticas como média, moda, variância, desvio-padrão e soma (Figura 18). Figura 18: Agregação de municípios gerando uma nova camada a partir do campo regiões de governo. 17

21 Sistemas de Informações Geográficas Tabela de Pontos Uma tabela de pontos, denominada também como tabela de eventos, contém as coordenadas de eventos, que podem ser mapeados e representados graficamente através de pontos. As coordenadas podem ser obtidas através de um sistema de posicionamento por satélite, como o GPS Geocodificação por endereço Esta operação consiste no mapeamento de eventos através da atribuição de coordenadas aos seus endereços, possibilitando que cada evento seja representado na tela por um ponto. Para executar esta operação, são necessárias uma base de ruas e uma lista de endereços. A base de ruas deve ser constituída pelos eixos de logradouros segmentados por quadras trechados. Como atributos, cada trecho deve possuir o nome do logradouro, a numeração inicial e final, par e ímpar. A lista de eventos deve estar em uma tabela endereço formada pelo nome e complemento em campos separados. Para o ideal funcionamento dessa operação, é necessário que o nome do logradouro que conste na base de ruas seja idêntico ao relacionado na tabela, caso contrário, o endereço não é encontrado automaticamente, sendo necessária intervenção do usuário para localização do endereço. Sugere-se que não sejam utilizados acentos e cedilha nos endereços, já que a chance de erro aumenta. 6- Modelos digitais de distribuição espacial Os modelos digitais de distribuição espacial, conhecidos por modelos digitais de terrenos (MNT) e modelos digitais de terreno (MDT), representam a distribuição espacial da magnitude (grandeza) de um fenômeno através de uma representação matemática computacional gerada a partir da interpolação, ou seja, processo de medida para determinação de valores médios com base em valores fixos existentes (FELGUEIRAS, 2005). A primeira etapa para a geração de um modelo corresponde ao levantamento dos valores da magnitude, que podem estar representados por curvas de isovalores (isolinhas) ou pontos tridimensionais, compostos pelas coordenadas (x,y) e pelo valor da magnitude (z), que correspondem a pontos de coleta dos dados. A etapa seguinte corresponde à modelagem propriamente dita e consiste na interpolação dos valores de magnitude, resultando em uma grade regular ou triangular, dependendo do interpolador utilizado (Figura 19). A primeira grade corresponde a uma matriz (raster) com espaçamento fixo, onde cada ponto da grade apresenta um valor estimado a partir da interpolação das amostras. A grade triangular é formada a partir da conexão entre as amostras utilizando, em geral, a triangulação de Delaunay, representada por uma estrutura vetorial do tipo arco-nó. Os modelos podem ser aplicados para representar espacialmente dados hidrometeorológicos, geofísicos, geoquímicos, altimétricos etc. Esses últimos são denominados de modelos digitais de elevação (MDE) 1 e com eles é possível: calcular o 1 Nos últimos anos, novas tecnologias, com a utilização de sensores remotos, vêm sendo empregadas para a geração de MDE, destacando-se o radar interferométrico e perfilamento a laser. 18

22 Sistemas de Informações Geográficas volume e a área da superfície; traçar perfil e seção transversal do terreno; gerar curva de nível; elaborar mapas de declividade, orientação de vertentes, sombreamento e visibilidade; e visualizar em perspectiva tridimensional. Figura 19: Modelos digital de distribuição espacial: (A) grade regular e (B) grade triangular. 7- Levantamento de dados geográficos O levantamento de dados geográficos é aqui apresentado de acordo com a natureza dos dados e está dividido em planialtimétrico, ambiental e populacional. Os levantamentos planialtimétricos determinam a posição do objeto em relação à localização (x,y) e à altura ou altitude (z). Os métodos de levantamento podem ser divididos nos seguintes grupos (adaptado Rodrigues, 1990): Topográficos - são baseados na medição de distâncias e ângulos e na aplicação de relações trigonométricas, através de equipamentos analógicos e, mais recentemente, por estações totais. São utilizados em levantamentos com extensão de até 30 km, onde a curvatura da Terra não necessita ser considerada. Geodésicos - são similares aos topográficos, porém destinados a levantamentos de maiores extensões, onde a curvatura da Terra deve ser considerada. A determinação da localização planimétrica dos pontos pode ser feita por triangulação, poligonação ou trilateração, e a altitude através de nivelamento geodésico. Posicionamento por satélites - fundamentam-se na utilização de rastreadores geodésicos que recebem ondas eletromagnéticas emitidas de posições conhecidas, permitindo a determinação da posição do objeto na superfície terrestre. São exemplos 19

23 Sistemas de Informações Geográficas desse levantamento os realizados por sistema global de navegação por satélites (GNSS) como o GPS, GALILEO e o GLONASS. Aerofotogramétricos - utilizam fotografias aéreas para determinação da posição dos objetos. Estes não prescindem dos dados levantados pelos métodos anteriores, pois é necessário ter pontos de controle com coordenadas conhecidas para a transformação dos pontos das fotos em valores das coordenadas. Sistemas de varredura - baseiam-se na emissão de um pulso de energia em direção à superfície terrestre a partir de um sensor a bordo de uma aeronave. Ao atingir a superfície, parte do sinal emitido é refletida na direção do sensor, que mede a intensidade do sinal de retorno e o tempo decorrido entre a emissão e a captação. Um destes sistemas é denominado como LIDAR - Light Detection And Ranging - e consiste na utilização de um pulso de laser disparado na direção da superfície. De forma semelhante funciona a interferometria por radar, que consiste na interação de pulsos refletidos pelo terreno e recebidos por antenas instaladas no sensor e operando conjuntamente na plataforma de vôo. O sinal refletido pelo terreno chega em momentos diferentes nas duas antenas; conhecendo-se esta diferença, dados sobre a altura do terreno são obtidos. A missão espacial liderada pela NASA, em fevereiro de 2000, conhecida como Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM), coletou dados altimétricos de mais de 80% da superfície terrestre utilizando um radar a bordo do ônibus espacial Endeavour, fazendo uso da técnica de interferometria. Os levantamentos de dados ambientais coletam a distribuição espacial de eventos da superfície terrestre de forma contínua e qualitativa, como os mapas de pedologia e a aptidão agrícola, ou de forma pontual e quantitativa, como os dados pluviométricos. Nos levantamentos ambientais contínuos, os dados podem ser coletados diretamente em campo ou remotamente. Neste último caso, a coleta é feita por sensores que registram a energia emitida ou refletida pelo alvo de forma contínua na superfície, gerando imagens e possibilitando a coleta de dados de áreas extensas e de difícil acesso. Os dados coletados, quando interpretados visualmente ou processados digitalmente, fornecem as feições espaciais e os atributos qualitativos. Devido à possibilidade de coleta temporal constante, é possível fazer o monitoramento de fenômenos espaciais, como, por exemplo, o monitoramento do uso e cobertura da terra. Esses levantamentos podem dar origem a outras informações ambientais, como pedologia, geologia etc. Os levantamentos ambientais pontuais baseiam-se na coleta de dados a partir de estações localizadas em campo ou na coleta direta em campo, e visam medir a magnitude do fenômeno. A possibilidade dos dados serem enviados por estações telemétricas reduz a quantidade de visitas a campo. Nesses levantamentos, podem ser obtidas séries históricas de dados, permitindo o monitoramento do fenômeno estudado. As estações hidrometeorológicas são exemplos deste tipo de levantamento. 20

24 Sistemas de Informações Geográficas Os levantamentos populacionais coletam dados sobre a freqüência de ocorrências (contagem) e os atributos dos indivíduos que compõem a população. Estes levantamentos podem ser feitos por amostragem, nos quais parte representativa da população é levantada, ou por censo, onde todo universo é levantado. Os métodos de levantamento podem ser por observação ou por entrevistas. As pesquisas domiciliares demográficas e socioeconômicas são exemplos dos métodos baseados em entrevistas, onde os atributos são obtidos através da aplicação de questionários. BIBLIOGRAFIA ARONOFF, S. Geographic Information Systems: A Management Perspective. WDL Publications BARBOSA, C. C.F. Álgebra de mapas e suas aplicações em sensoriamento remoto e geoprocessamento. de Mestrado. São José dos Campos, SP, Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto). INPE. BURROUGH, P.A.; MCDONNELL, R.A. Principles of Geographical Information Systems. Oxford University Press CÂMARA, G.; DAVIS, C.; MONTEIRO, A. M.V. Introdução à Ciência da Geoinformação. Disponível em: Acesso em: março de ESRI. What is Arc GIS? Disponível em: Acesso em: março/2004. FELGUEIRAS, C.A. Modelagem Numérica de Terreno. In: Introdução à Ciência da Geoinformação. Disponível em: Acesso em: março de INPE. INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS. SPRING versão 4.1. São Paulo: INPE, Disponível em RIPSA. Conceitos Básicos de Sistemas de Informação Geográfica e Cartografia aplicados à Saúde. Org: Carvalho, M.S; Pina, M.F; Santos, S.M. Brasília: Organização Panamericana da Saúde, Ministério da Saúde, RODRIGUES, M. Introdução ao Geoprocessamento. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE GEOPROCESSAMENTO, 1990, São Paulo. Anais. São Paulo: Universidade de São Paulo, 1990, 1-26p. UNBC GIS LAB. Introduction to Geographic Information System. Lecture 3b. Canada: University of Northern British Columbia. Disponível em: Acesso em: agosto/2005. XAVIER-DA-SILVA, J. et al. Geoprocessamento e SGIs. In: CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM GEOPROCESSAMENTO, unidades didáticas 12 a 19, volume 1. Rio de Janeiro: LAGEOP /UFRJ, CD- ROM. 21

25 SIGCidades: Mapeamento de Áreas Protegidas UFF - Instituto de Geociências - Departamento Análise Geoambiental UFF - Pró-Reitoria de Extensão MEC - Programa de Extensão MCidades -Programa Nacional de Capacitação das Cidades Fundamentos de Cartografia e SIG Estudo Dirigido em Cartografia 2ª edição revisada Cristiane Nunes Francisco Ladjane Marques Guimarães Luiz Paulo da Silva Lidiana de Paiva Lima Vieira Niterói, julho 2014.

26 1. Representação da Terra Os mapas correspondem à representação, aproximada, em um plano dos aspectos - geográficos, naturais, culturais e antrópicos, em proporção reduzida de toda superfície terrestre ou de parte dela. Para confecção de um mapa é necessária a aplicação de um conjunto de procedimentos que visa relacionar os pontos da superfície terrestre a pontos correspondentes no plano de projeção (mapa). Estes procedimentos consistem em (IBGE, 2004): Adotar um modelo matemático simplificado que melhor represente a forma da Terra; Projetar os elementos da superfície terrestre sobre o modelo de representação selecionado; e Relacionar, através de um processo projetivo ou analítico, pontos do modelo matemático de referência ao plano de projeção, selecionando a escala e o sistema de coordenadas. A superfície terrestre é totalmente irregular, não existindo, até o momento, definições matemáticas capazes de representá-la sem deformá-la. A forma da Terra se assemelha a um elipsóide, com o raio equatorial aproximadamente 23 km maior do que o polar, devido ao movimento de rotação em torno do seu eixo (Figura 1). Figura 1: Comparação entre os três modelos de representação da superfície terrestre (CRUZ, 2002). O modelo que se aproxima da sua forma real, e que pode ser determinado através de medidas gravimétricas, é o geiodal. Neste modelo, a superfície terrestre é definida por uma superfície fictícia determinada pelo prolongamento do nível médio dos mares estendendo-se em direção aos continentes. Esta superfície pode estar acima ou abaixo da superfície topográfica, definida pela massa terrestre (Figura 2). 23

27 Figura 2: Comparação entre a superfície topográfica, elipsoidal e geoidal (Brandalize,(2004). Para representar a superfície terrestre em um plano, é necessário que se adote uma superfície de referência, que corresponda a uma figura matematicamente definida. O elipsóide de revolução, gerado por uma eclipse rotacionada em torno de eixo menor, é a figura geométrica que mais se aproxima da forma real da Terra. Para representações em escalas muito pequenas menores do que 1: , a diferença entre o raio equatorial e o raio polar apresenta um valor insignificante, o que permite representar a forma a Terra, em algumas aplicações, como uma esfera. Este modelo é bastante simplificado e o mais distante da realidade, pois os elementos da superfície terrestre apresentam-se bastante deformados em relação às suas correspondentes feições reais e à posição relativa. O globo terrestre é uma representação deste tipo (Figura 3). 2. Sistemas Geodésicos de Referência (SGR) Figura 3: Globo terrestre. Para a confecção de um mapa, é necessário, assim, estabelecer a superfície de referência a ser utilizada para representar a superfície terrestre no modelo matemático. Sobre esta superfície, são necessárias informações sobre as dimensões do elipsóide de referência melhor adaptado à região a ser mapeada (raio do equador e raio polar), a sua orientação no espaço e a origem do sistema de coordenadas geodésicas referenciadas a superfície (datum horizontal). 24

28 O elipsóide de melhor ajuste varia de acordo a área a ser mapeada, por isto que cada região tende a adotar um referencial específico. No Brasil, até o final da década de 1970, utilizava-se o elipsóide Internacional de Hayford e o datum Córrego Alegre-MG, como a origem das coordenadas. A partir de 1977, passou-se a adotar o SAD-69 (Datum Sul- Americano), que apresenta o vértice Chuá-MG como a origem das coordenadas, e como elipsóide de referência o recomendado pela União Astronômica Internacional, homologado em 1967 pela Associação Internacional de Geodésia (Quadro 1). Esses sistemas são considerados topocêntricos, pois o ponto de origem está localizado na superfície da Terra. Quadro 1: Sistemas geodésicos de referência utilizados no Brasil. Elipsóide Ponto Datum Raio Equador (m) Achatamento Início Final Hayford (IAG-1924) Córrego Alegre- MG / SAD 69 (UGGI-1967) Chuá-MG /298, WGS 84 GRS 80 Centro de Massa da Terra Centro de Massa da Terra /298, Hoje /298, Hoje Com o advento do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), foi necessário empregar referencial geodésico geocêntrico, ou seja, o ponto de origem coincide com o centro de massa da Terra e com eixo de revolução coincidente com o eixo de rotação da Terra. A sua materialização ocorre mediante o estabelecimento de uma rede de estações geodésicas com coordenadas tridimensionais (IBGE, 2014). Os sistemas WGS 84 e SIRGAS são referenciais geodésicos geocêntricos, o primeiro é utilizado globalmente, e o segundo é adotado no país. A partir do ano 2014, os mapeamentos oficiais feitos no Brasil devem empregar esse sistema. Dicas SIG No levantamento da base de dados para uso em um Sistema de Informação Geográfica (SIG), é comum encontrar os documentos cartográficos e as imagens de sensoriamento remoto referenciados a diferentes SGR. A sobreposição de planos de informação que apresentem diferentes SGR no SIG pode apresentar deslocamentos de até 100 m, devido à diferença das coordenadas dos SGR. Considerando 65 m como a diferença média das coordenadas entre o SAD-69 e um sistema geocêntrico, em escalas acima de 1/ , o SGR não deve ser ignorado, pois o deslocamento ultrapassa 0,2 mm, caso esse valor seja considerado como erro admissível (Quadro 2). 25