MÓDULO III SENSORIAMENTO REMOTO E GEOPROCESSAMENTO

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1 PR UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Pato Branco/PR Departamento Acadêmico de Agrimensura CURSO DE CAPACITAÇÃO PARA IMPLANTAÇÃO DE CADASTRO TERRITORIAL MULTIFINALITÁRIO NOS MUNICÍPIOS DO SUDOESTE DO PARANÁ MÓDULO III SENSORIAMENTO REMOTO E GEOPROCESSAMENTO PATO BRANCO 2015

2 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE AGRIMENSURA Professora Vaneza Andrea Lima de Freitas Bolsista Lindamara de Oliveira Basso Bolsista Renan Ferri CURSO DE CAPACITAÇÃO PARA IMPLANTAÇÃO DE CADASTRO TERRITORIAL MULTIFINALITÁRIO NOS MUNICÍPIOS DO SUDOESTE DO PARANÁ MÓDULO 3- SENSORIAMENTO REMOTO E GEOPROCESSAMENTO PATO BRANCO 2015

3 SUMÁRIO PARTE I - SENSORIAMENTO REMOTO INTRODUÇÃO FUNDAMENTOS BÁSICOS PRINCÍPIOS FÍSICOS Radiação eletromagnética Espectro Eletromagnético Interferências Atmosféricas Comportamento Espectral dos Alvos Comportamento Espectral de Áreas Urbanas SISTEMAS SENSORES IMAGEM DIGITAL Aspectos Geométricos Aspectos Radiométricos RESOLUÇÕES DA IMAGEM Resolução Espectral Resolução Temporal Resolução Radiométrica Resolução Espacial RELAÇÃO ENTRE ESCALA E A RESOLUÇÃO ESPACIAL PADRÃO DE EXATIDÃO CARTOGRÁFICA PARTE II GEOPROCESSAMENTO INTRODUÇÃO BASES CONCEITUAIS SISTEMA GEODÉSICO DE REFERÊNCIA Sistemas de Coordenadas Coordenadas Geodésicas Sistema de Coordenadas Geográficas Sistema de Coordenadas UTM... 30

4 11 SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS SIG FUNDAMENTOS BÁSICOS DE UM SIG ESTRUTURA BÁSICA DE UM SIG Aquisição de dados Armazenagem de Dados Sistema de Gerenciamento de Dados Edição de Dados Conversão, Importação e Exportação de Arquivos de Dados Análise Geográfica REFERÊNCIAS... 37

5 PARTE I - SENSORIAMENTO REMOTO 1 INTRODUÇÃO Historicamente, o sensoriamento remoto foi desenvolvido com o objetivo de designar o surgimento de novas tecnologias e instrumentos capazes de obter informações da superfície terrestre a partir de longas distâncias. Consequentemente, sensoriamento remoto pode ser definido como sendo uma técnica de obtenção de imagens dos objetos da superfície terrestre sem que haja um contato físico de qualquer espécie entre o sensor e o objeto (NOVO,2010). Esta técnica é composta por diversas atividades, que envolvem a detecção, aquisição e análise da energia eletromagnética emitida ou refletida pelos objetos presentes na superfície terrestre e registradas por sensores remotos. Para compreender melhor a definição dada acima, é necessário identificar os quatro elementos fundamentais do sensoriamento remoto, que são constituídos pelo sensor, a fonte, o alvo e a radiação eletromagnética (energia eletromagnética), e estão representados no esquema abaixo. Fonte REM Sensor Alvo Figura 1: Esquema representativo dos quatro elementos fundamentais das técnicas de sensoriamento remoto 6

6 A radiação eletromagnética encontra-se no centro da pirâmide devido ao fato de ser um elemento de ligação entre os demais elementos que encontram-se nos vértices da pirâmide, pois a fonte de radiação eletromagnética, geralmente o sol, incide sobre o alvo/objeto de estudo, que reflete esta radiação, que posteriormente é coletada pelo sensor. A quantidade e a qualidade da radiação eletromagnética (REM) refletida e emitida por determinado objeto presente na superfície terrestre é o resultado da interação entre a REM e estes objetos, que são determinadas pelas propriedades físico-químicas e biológicas desses objetos, podendo ser identificadas nas imagens e nos dados de sensores remotos. Portanto, a REM refletida e absorvida pelos objetos terrestres é a base de dados para o processo de identificação das características dos mesmos. 2 FUNDAMENTOS BÁSICOS O funcionamento do sensoriamento remoto se dá de forma simples: a radiação eletromagnética que é emitida pelo sol e refletida pelo objeto terrestre é captada pelo sensor e convertida em um sinal que possui a capacidade de ser registrado, sendo posteriormente apresentado de uma forma adequada, na qual é possível extrair as informações que se procura, seja em forma de valores ou de imagens. 7

7 Figura 2: Funcionamento do sensoriamento remoto 3 PRINCÍPIOS FÍSICOS 3.1 RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA A radiação eletromagnética propaga-se no vácuo com a velocidade da luz, podendo interagir com o meio físico através dos modelos quântico e ondulatório. Sob uma perspectiva quântica, a REM pode ser observada como sendo o resultado da emissão de pequenos pulsos de energia, e sob perspectiva ondulatória, a REM se comporta de acordo com os fundamentos de teoria de onda, consistindo de um campo elétrico (E) que varia em magnitude em uma direção perpendicular à direção perpendicular à direção na qual a radiação está viajando, e um campo magnético (M) orientado em ângulo reto com o campo elétrico, como representado na figura abaixo. 8

8 Figura 3: Flutuações dos campos elétrico magnético de uma onda. As ondas eletromagnéticas (REM), podem ser consideradas como mensageiras do sensoriamento remoto. Elas captam as informações referentes às principais características das feições terrestres, além de leválas até os satélites (sensores). 3.2 ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO A representação da radiação eletromagnética através de uma escala crescente de comprimentos de onda e decrescente de frequências chamase espectro eletromagnético (figura 4). Este espectro apresenta subdivisões de acordo com as características de cada região, sendo que cada uma delas é função do tipo de processo físico que dá origem a energia eletromagnética, do tipo de interação que ocorre entre a radiação e o objeto sobre o qual ela incide, e da transparência da atmosfera em relação a REM. Ele varia desde as radiações gama com comprimentos de onda da ordem de 10-6 μm (micrometros), até as ondas de rádio da ordem de 100 μm. 9

9 Figura 4: Espectro eletromagnético e suas principais faixas espectrais É importando ressaltar que grande parte da radiação eletromagnética é invisível aos olhos humanos, que são considerados um sensor natural. Contudo, esta radiação que se encontra fora do espectro visível pode ser detectada através de instrumentos do sensoriamento remoto, deixando explícito sua importância. O espectro eletromagnético, além de englobar o espectro visível, também é constituído pelos raios gama, raios x, radiação ultravioleta, radiação infravermelha, as micro-ondas e as ondas de rádio. Esta subdivisão possuí apenas caráter didático e prático, pois o espectro é contínuo, não apresentando diferenças abruptas entre as formas de radiação, constituindo fenômeno físico único. Como todas as ondas irradiam-se com a mesma velocidade (velocidade da luz), as diferenças que apresentam são de comprimentos de onda e frequência, fazendo com que adquiram características particulares, e consequentemente, usos distintos. As principais características destas subdivisões estão descritas abaixo. 10

10 Faixa Espectral do Visível: Corresponde à faixa do espectro eletromagnético que o olho humano consegue transformar a energia refletida pelos objetos em imagem. Apresenta pequena variação no comprimento de onda, sendo de 0,38 μm até 0,78. As diferentes cores estão relacionadas aos seguintes comprimentos de onda: Violeta Azul Verde Amarelo Laranja Vermelho 0,38 a 0,45 μm 0,45 a 0,49 μm 0,49 a 0,58 μm 0,58 a 0,60 μm 0,60 a 0,62 μm 0,62 a 0,78 μm Faixa Espectral do Infravermelho: Região do espectro que estende-se de 0,7 a 1000 μm, e apresenta frequências que vão 3 x a 4 x Hz. Qualquer corpo com temperatura acima do zero absoluto emite este tipo de radiação, sendo que a mesma é facilmente absorvida pela maioria das substâncias, causando aquecimento das mesmas. Isso faz com que qualquer aparelho capaz de detectar mudanças de temperatura possam identificar a presença de radiação infravermelha. Costuma ser dividida em 3 regiões: Infravermelho Próximo (0,7 a 1,3 μm), Infravermelho Médio (1,3 a 6 μm) e Infravermelho Distante (6 a 1000 μm). Esta faixa tem grande importância por gerar informações adicionais as que são obtidas pelo olho humano. Faixa Espectral do Micro-ondas: Possuem comprimentos de onda que variam de 1mm (milímetro) a 1 metro. Em virtude de sua baixa frequência, 11

11 este tipo de radiação não sofre interferências das condições atmosférica permitindo fazer registro mesmo em áreas com grande cobertura de nuvens. Em geral são utilizadas como fonte de radiação dos sensores ativos (por ex.laser scanner ou radar), que por ter fonte própria e não ser dependente da radiação emitida pelo sol, possui a vantagem de poder fazer registros fotográficos mesmo em períodos noturnos. 3.3 INTERFERÊNCIAS ATMOSFÉRICAS A atmosfera pode interferir de forma significativa nos dados de sensoriamento remoto. Isso ocorre devido ao fato de que, durante a passagem da radiação eletromagnética pela atmosfera, ela interage com as moléculas de gases e material particulado presentes na mesma, podendo ser refletida, absorvida ou espalhada. Apenas cerca de 50% da radiação emitida pelo Sol e que chega à Terra é absorvida pela sua superfície, o que ocorre, principalmente, pelo efeito atenuante do Ozônio presente na atmosfera terrestre. As partículas e moléculas presentes na atmosfera terrestre apresentam capacidade de absorção variáveis em relação aos comprimentos de onda do espectro eletromagnético. Figura 5: Absorção e Reflexão de raios solares 12

12 3.4 COMPORTAMENTO ESPECTRAL DOS ALVOS O fluxo de energia eletromagnética ao atingir a superfície terrestre (energia incidente), interage de modo diferente com cada tipo de alvo, podendo ser refletida, absorvida e/ou transmitida pelo objeto. A absorção, reflexão e transmissão da energia incidente pode ser total ou parcial, sempre resguardando o princípio da conservação de energia (a energia não pode ser simplesmente dissipada, apenas transformada). A capacidade que um objeto possui de absorver, refletir e transmitir a energia eletromagnética recebem o nome de absortância, reflectância, e transmitância, respectivamente, e seus valores variam de 0 a 1. Quando a energia eletromagnética incidente em um objeto é refletida pelo mesmo, diz-se que ocorreu reflexão. Essa reflexão pode ser difusa ou especular, como mostrado na figura 6 sendo que as característica da reflexão difusa são importantes, pois tornam o estudo da mesma mais fácil, por permitir a simplificação de várias leis físicas. Isso ocorre, pois, independente dos ângulos de incidência e de observação a energia não irá variar. Figura 6: Reflexão da luz incidente em diferentes objetos 13

13 No caso onde a radiação incidente em um objeto não é refletida, mas sim absorvida ou transformada pelo mesmo, diz-se que ocorreu absorção. No caso da transmissão, ela ocorre quando a energia que incide sobre um objeto é capaz de atravessar o mesmo, de forma total ou parcial. Esse fenômeno pode ser observado na figura abaixo. Figura 7: Comportamento da incidência luminosa nos objetos As muitas feições da Terra apresentam interação com a radiação de diferentes formas, sendo que as características dessas interações são determinadas pelas diferentes composições físico-químicas e biológicas dos objetos e feições terrestres. Logo, o comportamento espectral de um objeto pode ser definido como sendo o conjunto dos valores sucessivos da reflectância do objeto ao longo do espectro eletromagnético, também conhecido como a assinatura espectral do objeto. Essa assinatura irá definir as feições e formas do alvo, conforme figura 8. Figura 8: Assinatura espectral dos alvos 14

14 3.4.1 Comportamento Espectral de Áreas Urbanas As áreas urbanas são caracterizadas por serem áreas tipicamente heterogêneas, a qual contém uma grande variedade de materiais diferentes, como telhados, asfalto, concreto, tinta, etc., sendo que para entender como se comporta uma área urbana, é necessário saber como os materiais que a compõem comportam-se (figura 9). Abaixo é possível ver as curvas de reflectância de alguns dos materiais presentes neste tipo de área: Figura 9: Curva Espectral de elementos em áreas urbanas Na imagem acima é possível perceber que o asfalto apresenta características de absorção fracas, sendo que sua reflectância apresenta um rápido e constante aumento conforme os comprimentos de onda vão aumentando. O concreto apresenta comportamento semelhante, pois, assim como o asfalto, apresenta maior reflectância em maiores comprimentos de onda, sendo que o que o difere do asfalta é que sua porcentagem de reflectância é maior em relação ao asfalto. Também é possível perceber através da imagem, que, em alguns comprimentos de onda, diferentes materiais apresentam reflectâncias iguais, tornando necessário o estudo de uma maior quantidade de faixas espectrais para que os dados obtido sejam confiáveis. 15

15 4 SISTEMAS SENSORES Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento Segundo Moraes os sensores remotos podem ser definidos da seguinte maneira: Sensores remotos são dispositivos capazes de detectar a energia eletromagnética proveniente de um objeto, transformá-las em um sinal elétrico e registrá-las, de tal forma que este possa ser armazenado ou transmitido em tempo real, para posteriormente ser convertido em informações que descrevam as feições dos objetos que compõem a superfície terrestre. As variações da energia eletromagnética de uma área podem ser captadas através de sistemas sensores imageadores ou não-imageadores, sendo que os sistemas imageadores são caracterizados por fornecerem uma imagem como produto da área imaginada, e os não-imageadoras por fornecerem um produto apenas em forma de dígitos ou gráficos. Segundo a onda da fonte eletromagnética os sensores também podem ser classificados como ativos ou passivos, sendo que os sensores ativos são aqueles que possuem fontes de energia eletromagnética artificiais e os passivos são aqueles que necessitam da energia eletromagnética emitida pelo Sol para gerarem registro das imagens. Para que um sensor possa captar e registrar a energia refletida ou emitida por um objeto, com qualidade, é essencial que o mesmo esteja instalado em uma plataforma estável, que pode ser um avião ou balão, no caso de plataforma situada no solo, ou até mesmo satélites, no caso de plataformas que circundam a Terra. 16

16 Figura 10: Exemplos de Sensores Ativos e Passivos 5 IMAGEM DIGITAL Uma imagem é o resultado de uma projeção de uma cena (espaço tridimensional) para o espaço bidimensional formada pelo plano de imagem do sensor. Neste contexto, deve-se destacar dois elementos importantes: o espaço objeto e o espaço imagem. 1 Figura 11: Plano das Imagem 1 CENTENO, J.A.S. 17

17 A imagem digital pode ser definida por uma matriz de pixels (menor estrutura de representação) que estão arranjados em linhas e colunas. Cada pixel representa um determinada área da superfície terrestre e receberá um valor numérico digital, denominando brilho digital ou valor radiométrico que corresponderá ao valor médio da reflectância dos alvos situados na região correspondente ao referido pixel. Figura 12: Imagem digita A formação da imagem envolve três aspecto fundamentais: (a) o aspecto geométrico do processo de transformação da cena em imagem, (b) o 18

18 aspecto radiométrico e (c) a discretização e quantização. No caso deste trabalho iremos apresentar os dois primeiros itens. 5.1 ASPECTOS GEOMÉTRICOS As características geométricas das imagens se referem à relação entre a posição dos objetos no mundo real e sua respectiva posição no espaço imagem. Considerando que as técnicas de aquisição de imagens são reprojeções de um espaço tridimensional para um bidimensional observa-se uma perda de informações relativa à coordenada Z. Em relação ao Cadastro Territorial Multifinalitário este aspecto é importante, considerando que em áreas urbanas que apresentam grandes edifícios a perda desta coordenada é significativa pois vários registros de imóveis (apartamentos, lojas comerciais, consultórios, entre outros) estarão registrados com o mesmo par de coordenadas X e Y. 5.2 ASPECTOS RADIOMÉTRICOS Aspecto associado à maneira como o brilho ou a energia proveniente de um objeto ou superfície é registrado e a fidedignidade de sua representação. Para cada posição no plano da imagem um valor de brilho ou intensidade é registrado. Este valor dependerá do comprimento de onda da energia incidente e da natureza constituinte do objeto que refletirá essa radiação e será definido em função de sua posição na imagem. 6 RESOLUÇÕES DA IMAGEM 6.1 RESOLUÇÃO ESPECTRAL A resolução espectral descreve a habilidade que um sensor possui de definir intervalos de comprimento de onda pequenos. Quanto mais estreitos forem estes intervalos, ou quanto mais bandas espectrais forem captadas pelo sensor, maior será a sua resolução espectral. 19

19 A necessidade de uma maior quantidade de bandas surge devido às diferenças relativas de reflectância entre os materiais da superfície terrestre, sendo que com uma maior quantidade de bandas, mas dados podem ser obtidos das áreas imageadas. Figura 13: Efeitos das resolução espectral na identificação dos alvos 6.2 RESOLUÇÃO TEMPORAL A resolução temporal refere-se ao tempo que o sensor leva para revisitar um mesmo ponto na superfície da terra, em condições normais, com seu eixo óptico na posição vertical (nadir). Em algumas situações, a posição do eixo óptico poderá ser modificada de forma a revisitar determinada região mais rapidamente. Essa alteração pode ocorrer, por exemplo, para se registrar os estragos provocados por catástrofes naturais como tornados, terremotos, tsunamis, por exemplo. 6.3 RESOLUÇÃO RADIOMÉTRICA A resolução radiométrica está associada à capacidade do sensor de distinguir dois níveis de intensidade da radiação eletromagnética captada. Quanto melhor for a resolução radiométrica de um sensor, mais sensível a pequenas diferenças de radiação emitida ou refletida (níveis de cinza) o mesmo será. A faixa de valores que o sensor irá diferir está associada a quantidade de bits utilizada para cada pixel, sendo obtida pela seguinte 20

20 fórmula: 2 n, onde n é o número de bits, logo, uma resolução de 10 bits irá gerar uma imagem com 1024 níveis de cinza, enquanto uma resolução de 8 bits irá gerar uma imagem com apenas 256 níveis de cinza. Quanto maior a quantidade de níveis de cinza presentes em uma imagem, maior será a possibilidade de distinguir diferenças sutis entre os alvos a serem estudados Figura 14: Exemplo de imagens com diferentes resoluções radiométricas. 6.4 RESOLUÇÃO ESPACIAL A resolução espacial está diretamente ligada ao tamanho do pixel que um sensor pode obter, podendo ser definida como sendo o tamanho do menor objeto que poderá ser identificado em uma imagem. Um objeto só poderá ser detectado se possuir um tamanho maior ou igual a resolução espacial do sensor que o imageia, logo, para fazer um registro fotográfico uma casa que tem 10X10m de tamanho, a resolução espacial do sensor deverá ser de, no mínimo, 10 metros. 21

21 Na medida em que o tamanho do pixel é maior, a imagem resultante será menos definida. Com isso conclui-se que, quanto maior o tamanho do pixel, menor a resolução espacial do sensor, e menor será o detalhamento que poderá ser obtido através desta imagem. Figura 15: Imagens com diferentes resoluções espacial 7 RELAÇÃO ENTRE ESCALA E A RESOLUÇÃO ESPACIAL Escala pode ser definida como sendo a razão entre a distância em um mapa ou uma imagem, e a distância real no terreno. Portanto, com uma mapa em escala 1: , um objeto de 1cm no mapa teria, na realidade, cm, ou 1km de tamanho real. Com o surgimento das imagens de satélites apareceram algumas dúvidas sobre qual resolução espacial de imagem 22

22 utilizar para um mapeamento em determinada escala, ou ainda, com certa resolução, qual escala utilizar para obter os detalhamentos necessários para estudo. Para responder as questões anteriores, é necessário compreender o significado do termo acuidade visual, que é determinado pelo tamanho da menor imagem retiniana (em forma de linha) percebida pelo ser humano. Segundo estudos, a acuidade visual do olho humano é de 0,2 mm, ou seja, um humano é capaz de distinguir um objeto de até 0,2mm sem nenhum tipo de lente e sendo sadio. Com base nas definições acima, é possível utilizar a medida de acuidade visual para calcular as escalas em função da resolução espacial, através da seguinte fórmula: Escala = Resolução Espacial X 1000 Acuidade Visual Em caso de se querer a resolução estimada para uma determinada escala faz-se uso da fórmula abaixo: Resolução = Escala X Acuidade Visual 1000 Levando-se em consideração a acuidade visual, também é possível determinar o erro admissível para determinada escala através da seguinte relação: Acuidade Visual X M Erro admissível (e a )= 1000 Onde, M é o denominador da escala. Por exemplo, para uma escala de 1: e acuidade de 0,2mm, o erro admissível será de 20 m, ou seja, detalhes cujas dimensões sejam inferiores a este valor não serão representados na imagem. Desta forma, se o objeto de estudo possuir 23

23 dimensões menores, deverá ser utilizada uma escala maior, ou um sensor com melhor resolução espacial. Abaixo estão listados alguns sensores, com suas resoluções espaciais e escalas aproximadas de visualização. Tabela 1: Escalas aproximadas de visualização de imagens multiespectrais em função da resolução espacial. 8 PADRÃO DE EXATIDÃO CARTOGRÁFICA Dependendo da utilização que será dada a determinada imagem de satélite, os erros admissíveis podem ser gerados através de acuidades visuais diferentes, que são estipulados pelo padrão de exatidão. Este padrão diz que, 90% dos pontos bem definidos num mapa, quando testados no terreno, não deverão ultrapassar os erros determinados pelo mesmo. A tabela abaixo estipula os erros admissíveis: Mapa Acuidade Erro Admissível Classe A 0,3 mm 0,3mm x Escala Classe B 0,5 mm 0,5mm x Escala Classe C 0,6 mm 0,6mm x Escala 24

24 PARTE II GEOPROCESSAMENTO 9 INTRODUÇÃO A Informação pode ser considerada como um conjunto de registros e dados interpretados e dotados de significado lógico. Por sua vez sistema pode ser entendido como um conjunto integrado de elementos interdependentes, estruturado de tal forma que estes possam relacionar-se para a execução de determinada função. Aglomerando os conceitos, Sistema de Informação é um sistema utilizado para coletar, armazenar, recuperar, transformar, e visualizar dados e informações a ele vinculados. Desta forma, um SIG Sistema de informações Geográficas é um sistema computacional que trabalha um número infinito de informações de cunho geográfico. Ampliando este conceito temos que um SIG é um poderoso conjunto de ferramentas para coleta, armazenamento, recuperação, transformação e visualização de dados espaciais do mundo real para um conjunto de propósitos específicos. Chegamos a uma definição mais clara em Sistema constituído por um conjunto de programas computacionais, o qual integra dados, equipamentos e pessoas com o objetivo de coletar, armazenar, recuperar, manipular, visualizar e analisar espacialmente referenciados a um sistema de coordenadas conhecido. Faz-se a diferenciação de Geoprocessamento, que é a Tecnologia, ou o conjunto de tecnologias, que possibilita a manipulação, a análise, a simulação de modelagens e a visualização de dados georreferenciados. Técnica que agrega ao uso de m SIG. 25

25 Os produtos gerados por um SIG vinculam o espaço físico, podendo, entretanto relacionar aos fenômenos climáticos, humanos, sociais e econômicos, entre outros. Assim, as aplicações desses sistemas são incontáveis. Ações vinculadas ao planejamento e ao planejamento urbano, gestão, monitoramento, ao manejo, á caracterização de espaços podem ser melhor trabalhadas com o auxílio de um SIG. Para exemplificar, na esfera de planejamento urbano, podem-se extrair as seguintes aplicações: Mapeamento atualizado; Zoneamento diversos (ambiental, socioeconômico, turístico, etc) Monitoramento de áreas de risco e de proteção ambiental; Estruturação das redes de energia, água e esgoto; Adequação tarifária de impostos; Estudos de modelagens de expansão urbana; Controle de ocupações e construções irregulares; Estabelecimentos e/ou adequação de modais de transporte. 10 BASES CONCEITUAIS Após exaustivas discussões e com a evolução da tecnologia e da ciência, chegou-se a um consenso sobre o formato da Terra. Inicialmente, acreditava-se que a superfície terrestre era um plano. Da Grécia Antiga já se acreditava que o formato da Terra era esférica. Hoje, se convenciona que a Terra estaria próxima de um elipsoide, cuja figura matemática é gerada pela rotação de uma elipse em torno de seus eixos. Outro termo utilizado para definir a forma do planeta é o geoide, que é o a superfície coincidente com o nível médio e inalterado dos mares e gerada por um número infinito de pontos, cuja medida do potencial do campo gravitacional da Terra é constante e com direção exatamente perpendicular a esta. Por isso, o geoide seria a superfície que melhor representaria a forma 26

26 da superfície real do planeta, não fosse as dificuldades em sua modelagem e representação matemática SISTEMA GEODÉSICO DE REFERÊNCIA Um Sistema Geodésico de Referência (SGR), do ponto de vista prático, permite que se faça a localização espacial de qualquer feição sobre a superfície terrestre. Este sistema é definido com base num conjunto de parâmetros e convenções, junto a um elipsóide ajustado às dimensões da Terra e devidamente orientado, constituindo um referencial adequado para a atribuição de coordenadas a pontos sobre a superfície. Ao elipsoide de referência é vinculado uma posição e uma orientação, podendo se ajustar a um determinado país, região, continente ou até mesmo um ajuste global. Os primeiros SGR, eram ajustados à pequenas áreas da superfície terrestre em virtude dos recursos limitados para os modelos matemáticos complexos. Nestes casos, as superfícies dão denominadas topocêntrica, e cada região do planeta teria o seu sistema próprio. Com o advento da Geodésia Espacial e os avanços tecnológicos e computacionais foi possível fazer SGR globais que se ajustassem a qualquer parte do planeta. Neste caso, a origem do sistema coincide com o centro de massa da Terra e o sistema é denominado geocêntrico O estabelecimento do Sistema Geodésico Brasileiro (SGB) foi iniciado na década de 40. O SGB caracteriza-se pelo conjunto de estações que representam o controle horizontal e vertical necessários à localização e representação cartográfica no território brasileiro, seu estabelecimento e manutenção são atribuições do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE. Oficialmente, o primeiro SGB foi instituído na década de 50 e vigorou até os anos 70, tinha como referência o vértice Córrego Alegre (MG). A realização do Sistema Córrego Alegre, de precisão compatível com as técnicas e equipamentos da época, aliada à menor precisão da densificação do apoio terrestre, faz com que os produtos gerados com base neste sistema, 27

27 principalmente os em escalas grandes, percam em qualidade quando comparados aos produtos gerados com base em sistemas de referência e tecnologias mais atuais. (Dalazoana, 2005). Apesar de já está em desuso, este sistema deve ainda ser avaliado considerando que grande parte do mapeamento do território brasileiro foi realizado neste sistema e deve-se adotar parâmetros de transformação para o sistema vigente. No final da década de 70 entrou em vigor o South American Datum SAD69, projeto que foi recomendado pelo comitê de Geodésia e apresentado no relatório final do Grupo de Trabalho do Datum sul americano em 1969, criando um sistema geodésico único para o continente da América do Sul, tendo também como referência um elipsoide topocêntrico ajustado para este continente. Posteriormente, com os avanços computacionais e das técnicas de posicionamento por satélites, este datum passou por diversos ajustes nos seus parâmetros até ser substituído pelo atual datum brasileiro o SIRGAS Desde fevereiro de 2015 acabou o período de transição entre o SAD-69 e o SIRGAS 2000, ou seja, todo novo mapeamento a ser executado deve ser realizado com este novo datum. Diferentemente dos anteriores, seu elipsoide de referência é geocêntrico, ou seja, sua origem coincide com o centro de massa da Terra. Este sistema utiliza o mesmo elipsoide de revolução que sistema WGS-84, referencial adotado paras as imagens de satélite, com isso permite que os dois sistemas sejam compatíveis entre si e dados cartográficos nos dois sistemas podem ser utilizados simultaneamente sem passar por modelos matemáticos de transformação e com isso, reduz o erros gerados no processo de transformação SISTEMAS DE COORDENADAS Coordenadas Geodésicas Todos os sistemas geodésicos de referências estão apoiados na figura de um elipsoide a qual é dotada de um sistema de coordenadas definidos por duas posições principais: 28

28 A Latitude, que representa o ângulo entre o paralelo do equador e os polos, sendo que mede 0º na Linha e 90 nos polos. Esta linha de referência divide a Terra em Norte, acima da Linha do Equador, e Sul, abaixo da linha do Equador (figura 16). A Longitude, que representa o ângulo formado entre o Meridiano de Greenwich e os extremos, sendo que mede 0º no meridiano e 180º em cada extremo. Este meridiano divide a Terra em Leste, de 0º a 180º á direita do meridiano e Oeste, de 0º a 180º á esquerda do meridiano, conforme apresentado na figura abaixo. Figura 16: Latitude e Longitude Geodésica Sistema de Coordenadas Geográficas A forma mais utilizada para a representação de coordenadas em um mapa se dá pela aplicação de um sistema sexagesimal, onde os valores dos pontos localizados na superfície terrestre são expressos por coordenadas geográficas latitude e longitude, contendo medidas angulares, ou seja, graus, minutos e segundos. Na utilização deste sistema de coordenadas adota-se duas linhas imaginária de referência: (a) Linha do Equador referência para as latitudes e divide a Terra em hemisférios norte(n) e sul (S) e (b) Meridiano de Greenwich 29

29 referencial para as longitude e divide a Terra nos hemisférios Leste (E) e oeste (W). (Figura 17) Figura 17: Linhas de Referência Neste sistema, o ponto localizado na superfície terrestre deve conter o valor sexagesimal e a indicação do hemisfério correspondente, N ou S para a coordenada Norte ou Sul da latitude, ou ainda positivo para Norte e negativo para Sul. W ou E para a coordenada Oeste ou Leste, respectivamente, da coordenada longitude, ou ainda positivo para Leste e negativo para Oeste. Figura 18: Latitude e Longitude Geográfica 30

30 Sistema de Coordenadas UTM De acordo com FITZ (2010), o Sistema Universal Transversa de Mercator (UTM) tem grande aplicabilidade nos projetos de mapeamento em virtude de suas facilidades que dizem respeito à adoção de uma projeção cartográfica que trabalha com paralelos e meridianos retos e equidistantes. Este sistema caracteriza-se por adotar coordenadas métricas planas ou planas retangulares. No Sistema UTM, a Terra é dividida em 60 fusos com 6 de amplitude e tem sua contagem se origina no antimeridiano de Greenwich (sentido oeste-leste). Cada fuso é composto por um sistema cartesiano formado pela Linha do Equador (eixo X) e o meridiano central do fuso (eixo Y). Para evitar coordenadas negativas, convencionou-se o valor para origem em X e para a origem em Y (apenas para o hemisfério Sul) 2. 2 Para o hemisfério Norte as coordenadas de origem são X= e Y=0 31

31 11 SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS SIG De acordo com Câmara, Sistema de Informações Geográficas (SIG): Sistemas de Informação Geográfica (SIG) são sistemas que realizam o tratamento computacional de dados geográficos e recuperam informações não apenas com base em suas características alfanuméricas, mas também através de sua localização espacial; oferecem ao administrador (urbanista, planejador, engenheiro) uma visão inédita de seu ambiente de trabalho, em que todas as informações disponíveis sobre um determinado assunto estão ao seu alcance, interrelacionadas com base no que lhes é fundamentalmente comum -- a localização geográfica. Para que isto seja possível, a geometria e os atributos dos dados num SIG devem estar georreferenciados, isto é, localizados na superfície terrestre e representados numa projeção cartográfica: Para cada elemento geográfico (associado a um par de coordenadas), o SIG armazena os atributos destes objetos e suas várias representações gráficas a qual estão associadas. Devido a sua ampla gama de aplicações, nos quais estão inseridos temas como planejamento urbano e cadastro territorial, os SIG s podem ser utilizados : Como ferramenta para produção de mapas; Como suporte para análise espacial dos fenômenos; Como um banco de dados geográficos, com função de armazenamento e recuperação de informação espacial FUNDAMENTOS BÁSICOS DE UM SIG Numa visão abrangente, pode-se indicar que um SIG tem os seguintes componentes: Interface com usuário; Entrada e integração de dados; Funções de consulta e análise espacial 32

32 Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento Visualização e plotagem; Armazenamento e recuperação de dados (organizados sob a forma de um banco de dados geográficos). Estes componentes se relacionam de forma hierárquica. No nível mais próximo ao usuário, a interface homem-máquina define como o sistema é operado e controlado. No nível intermediário, um SIG deve ter mecanismos de processamento de dados espaciais (entrada, edição, análise, visualização e saída). No nível mais interno do sistema, um sistema de gerência de bancos de dados Arquitetura de SIG Fundamentos de Geoprocessamento 3-3 geográficos oferece armazenamento e recuperação dos dados espaciais e seus atributos. De uma forma geral, as funções de processamento de um SIG operam sobre dados em uma área de trabalho em memória principal. A ligação entre os dados geográficos e as funções de processamento do SIG é feita por mecanismos de seleção e consulta que definem restrições sobre o conjunto de dados. Exemplos ilustrativos de modos de seleção de dados são: "Recupere os dados relativos à carta de Guajará-Mirim " (restrição por definição de região de interesse); "Recupere as cidades do Estado de São Paulo com população entre e habitantes" (consulta por atributos não-espaciais). "Mostre os postos de saúde num raio de 5 km do hospital municipal de S.J.Campos" (consulta com restrições espaciais). A Figura abaixo indica o relacionamento dos principais componentes ou subsistemas de um SIG. Cada sistema, em função de seus objetivos e necessidades, implementa estes componentes de forma distinta, mas todos os subsistemas citados devem estar presentes num SIG. 33

33 11.2 ESTRUTURA BÁSICA DE UM SIG Dentre os vários sistemas que compõem um SIG, as funções podem ser entendidas como os próprios módulos do sistema sendo estes a aquisição de dados, gerenciamento de banco de dados, análise geográfica de dados e a representação de dados Aquisição de dados A incorporação de dados no sistema segue determinadas etapas. Pode ser executada através da aquisição direta, em meio digital, de dados alfanuméricos ou espaciais, pela confecção e lançamento de em planilhas, uso de posicionamento por satélites, topografia convencional, aerofotogrametria, sensoriamento remoto e pelos processos de digitalização e vetorização Armazenagem de Dados Um SIG deve ser capaz de armazenar e relacionar os dados para que possam ser analisadas espacialmente, ou seja, transformá-las em informações geográfica. 34

34 Sistema de Gerenciamento de Dados Pode ser entendido como a porção do sistema que permite a sua manipulação. Esse organismo deve controlar a organização físico-lógica dos dados, seu armazenamento, recuperação e atualização. O sistema de gerenciamento também é responsável pela integridade dos dados, permitindo o acesso simultâneo por parte de vários usuários, bem como definir restrições a manipulação e acesso aos dados. Compreende, portanto, todas as fases do desenvolvimento de dados, o qual pode ser considerado como cérebro do sistema, respondendo por todas as suas conexões Edição de Dados Maneira pela qual o sistema pode adicionar, suprimir ou substituir dados nele contidos. Pode ser realizada em arquivos alfanuméricos e gráficos. Quanto aos arquivos alfanuméricos, deve-se tomar cuidado aos erros de edição, principalmente quanto à inserção de coordenadas geográficas advindas de sistemas de referência diferentes e tratados como de mesma origem. Um exemplo de edição deste tipo de dados é a atualização de dados censitários, sendo esta regida por procedimentos padrão e executada por usuário habilitado. Em se tratando de arquivos gráficos, tem-se a edição de arquivos vetoriais e matriciais. Para os arquivos vetoriais existe uma estruturação topológica constituídas de relações entre os elementos gráficos. Essas relações são de; Conectividade: se os elementos estão ligados ou não; Contiguidade: identificação do contato de elementos; Proximidade: distância entre dois elementos. Deve-se tomar cuidado aos erros de vetorização para melhorar a consistência (qualidade e precisão) do arquivo. Assim, polígonos abertos, por exemplo, devem ser editados a fim de que os nós (ponto inicial e final de uma linha) sejam conectados, a fim de que adquira características de um polígono, como computo de sua área, perímetro entre outros. Para um SIG, os arquivos matriciais têm como possibilidade mais importante a capacidade em executar a sobreposição de camadas de dados, também 35

35 conhecidos como overlay. Os dados gráficos normalmente são divididos em camadas de informação (layers), sendo que estas são georreferenciadas e com possibilidade de manipulação, gerando informações adicionais preexistentes Conversão, Importação e Exportação de Arquivos de Dados O sistema deve comportar e permitir a exportação de diferentes formatos de arquivos devido a quantidade de programas variados que possuem funcionalidades diferentes que produzem formatos diferentes de arquivos Análise Geográfica Essa aplicação é o que diferencia dos demais softwares gráficos, pois possuem a característica de realizar analises de dados espaciais e atributos alfanuméricos simultaneamente. Dentre as técnicas mais conhecidas, destacam-se: Representação de Dados O sistema deve ser capaz de produzir gráficos, tabelas, mapas e relatórios a fim de gerar resultados visualmente agradáveis e compreensivos Recuperação de Dados É a possibilidade aberta pelo sistema de consultar dados por meio de atributos específicos, localizados nas planilhas que formam o BD e pelas coordenadas dispostas nas imagens e/ou mapas. Assim, é possível conhecer informações georreferenciadas de um polígono, cujos dados estão conectados ao banco de dados, com um simples clique. Desta forma, se este polígono representar uma região, pode-se obter informações como área, quantidade de população, densidade demográfica, entre outros Sobreposição Existem duas formas de substituição, a lógica e a aritmética. A substituição lógica utiliza operadores lógicos (análise booleana) para o empilhamento de diversas camadas de dados, sendo estes vetoriais ou matriciais. As operações booleanas empregadas são; and ( e, significa intersecção), or 36

36 ( ou significa união), xor (ou, significa desunião), not (operador não, significa negação Reclassificação Constitui-se na substituição de valores de entidades gráficas por outros através de agrupamentos realizados de acordo com a necessidade do usuário, gerando outro arquivo Vizinhança e Contextualização Fazem relação com o entorno do espaço analisado. Neles incluem-se operadores de distância, cálculos do melhor caminho a ser seguido, interpolação de pontos, gerando mapas de isolinhas, modelos numéricos do terreno, análise de proximidade de redes, calculam de volumes, entre outros Análises Estatísticas É a utilização de funções estatística, sendo muitas dessas presentes no SIG, para extrair informações com dados disponíveis em tabelas, gráficos ou mapas derivados. Dentre essas funções, estão as regressões, interpolações, correlações, médias, desvio padrão, variância, entre outros. 37

37 12 REFERÊNCIAS Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento BATISTA, Getúlio. Apostila Introdutória de Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento. Universidade de Taubaté; Disponível em: andersonmedeiros.com. Acesso em: 25 de setembro de CÂMARA, G.; DAVIS, C.; MONTEIRO. A. M. V. Introdução á ciência da Geoinformação. Disponível em < Acesso em 02 de set. de GeoProcessamento: Teoria e Aplicacoes DALAZOANA, R. Estudos Dirigidos à Ánálise Temporal do Datum Vertical Brasileiro f. Tese (Doutorado em Ciências Geodésicas) Curso de Pós Graduação em Ciências Geodésicas, Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2005 BATISTA, Getúlio. Apostila Introdutória de Sensoriamento Remoto e Geoprocessamento. Universidade de Taubaté; Disponível em: andersonmedeiros.com. Acesso em: 25 de setembro de FITZ, Paulo R. Geoprocessamento sem Complicação. São Paulo: Oficina de Textos, 2008 INPE, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais. Introdução ao Sensoriamento Remoto. São José dos Campos; Disponível em: Acesso em: 22 de setembro de MORAES, Elisabete. Fundamentos de Sensoriamento Remoto. Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais; FIGUEIREDO, Divino. Conceitos Básicos de Sensoriamento Remoto; Disponível: Acesso em: 22 de setembro de

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