Introdução à Análise Digital de Terreno com GRASS-GIS

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1 Introdução à Análise Digital de Terreno com GRASS-GIS Carlos Henrique Grohmann Instituto de Geociências - USP São Paulo, 21 de janeiro de 2008

2 Este documento não é parte da documentação oficial do software descrito. O GRASS-GIS é licenciado pela licença pública GNU. Mais informações podem ser encontradas no Web Site do GRASS-GIS, em Este documento é largamente baseado nas páginas de manual dos módulos do GRASS e em Dassau et al. (2005), An introduction to the practical use of the Free Geographical Information System GRASS 6.0, GDF Hannover br, disponível em Os detalhes, dados, resultados, etc. descritos neste documento foram escritos e verificados pelo autor; porém, erros quanto ao conteúdo são possíveis. O autor não assume qualquer responsabilidade por falhas e suas consequências. Indicações de possíveis erros são bem-vindas. Este documento foi escrito em LATEX, e está disponível em formato PDF ou como fonte LATEX em Copyright c Carlos Henrique Grohmann. É garantida a permissão para copiar, distribuir e/ou modificar este documento sob os termos da Licença de Documentação Livre GNU (GNU Free Documentation License), Versão 1.2 ou qualquer versão posterior publicada pela Free Software Foundation; sem Seções Invariantes, Textos de Capa Frontal, e sem Textos de Quarta Capa. Uma cópia da licença é incluída na seção intitulada GNU Free Documentation License.

3 SUMÁRIO i Sumário Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas i ii iv 1 Introdução Fontes de informação Design e estrutura Dimensão de dados em SIG Organização dos projetos O mapset PERMANENT Arquivos do mapset PERMANENT Estrutura dos comandos no GRASS Obtendo ajuda com relação aos módulos Mapas Raster - visão geral 8 3 Mapas Vetoriais - visão geral Manipulação de atributos Projeções cartográficas e sistemas de coordenadas Geóide Elipsóide Datum Projeções cartográficas Sistemas de coordenadas Latitude-Longitude Sistema UTM Bem-vindo(a) ao GRASS-GIS! Criando uma Location e um mapset Apresentando o GIS Manager e o Map Display Importação de dados SRTM Extração de curvas de nível Importação de dados vetoriais Arquivos ESRI shape Arquivos ASCII Geração de pontos aleatórios Amostragem da altitude Exportação como ASCII Importação do arquivo ASCII

4 LISTA DE FIGURAS ii 8 Análise Digital de Terreno Hipsometria Relevo sombreado Índices de forma Interpolação de superfícies Reamostragem Inverso da potência da distância - IDW Splines regularizadas com tensão - RST Interpolação de MDE por RST Visualização n-dimensional O QGIS como interface gráfica alternativa Produzindo mapas para impressão Comandos do GRASS Referências Bibliográficas Definição de Software Livre GNU Free Documentation License 87 Lista de Figuras 1.1 Geometia e atributos de dados no GRASS-GIS Comparação de dados raster e vetorial em uma mesma área Dimensão de dados em SIG Exemplo da estrutura projetos no GRASS-GIS Relações entre a superfície da Terra, o geóide e o elipsóide Elementos do elipsóide de referência Classificação de projeções cartográficas Divisão das zonas UTM Origem das coordenadas nas zonas UTM Divisão das zonas UTM na América do Sul Tela de terminal com a mensagem de boas-vindas ao GRASS-GIS Janela inicial do GRASS Definição dos nomes da Location e do mapset Confira se você escreveu certo o nome da Location Tenha os dados do projeto sempre à mão! Defina o sistema de coordenadas Descreva sua Location e veja a lista de datums suportados Início da listagem dos datums suportados Final da listagem dos datums suportados

5 LISTA DE FIGURAS iii 5.10 Parâmetros de transformação para o datum WGS Indique a zona UTM e o hemisfério dos dados Defina os limites do projeto Confira se não errou nada Confirme os nomes da Location e do mapset Pronto? Confirmação final Interface gráfica do GRASS-GIS Janela do GIS Manager Barra de ferramentas superior do GIS Manager Barra de ferramentas inferior do GIS Manager Barra de ferramentas do Map Display Opções de zoom do Map Display Selecione a importação através da biblioteca GDAL Opções do comando r.in.gdal Insira um novo layer na pilha e selecione o raster para ser exibido A imagem SRTM, exibida no Map Display Use a ferramenta Query para ver o valor dos pixels da imagem Janela do Map Calculator A imagem SRTM, com valores nulos ao invés de zero Opções do comando r.fillnulls Modelo SRTM com vazios preenchidos Opções do comando r.contour Curvas de nível extraídas com o comando r.contour Curvas de nível para cotas definidas Selecione a importação através da biblioteca OGR Opções do comando v.in.ogr Curvas de nível e drenagem vetoriais exibidos no Map Display Curvas de nível digitalizadas e calculadas a partir do MDE Opções do comando v.random Pontos aleatórios gerados com v.random Localize a opção Show attribute columns, no gism Opções do comando v.db.addtable Opções do comando v.drape Opções do comando v.out.ascii Opções do comando v.in.ascii Mapa de pontos sobreposto ao mapa gerado com v.random Janela do comando r.reclass.rules Janela de terminal com as regras de reclassificação Janela do comando r.colors Mapa hipsométrico com a tabela de cores elevation Opções do comando r.shaded.relief Mapa de relevo sombreado, com iluminante em 315, inclinação de Mapas de relevo sombreado, com iluminantes em diferentes posições

6 LISTA DE TABELAS iv 8.8 Principais opções do comando r.slope.aspect Mapa de declividade Mapa de orientação de vertentes Relações entre as curvaturas Vertical e Horizontal Mapa de curvatura vertical (profile curvature) Reamostragem (mudança na resolução espacial) por vizinhos mais próximos Reamostragem (transformação geométrica) por vizinhos mais próximos Esquema da interpolação por IDW Opções do comando v.surf.rst Resultado da interpolação por RST (esquerda) e modelo SRTM (direita) Resultado da subtração entre o modelo SRTM e a interpolação por RST Diferenças entre os mapas, exibindo valore entre -30 e Histograma do mapa de diferenças Zoom e Query no mapa de diferenças Modemo SRTM com vazios sobreposto ao mapa de diferenças Janela inicial do NVIZ Controles de iluminação do NVIZ Selecione para alterar a cor da superfície Selecione o mapa a ser exibido como cor Sobreposição do mapa de diferenças à superfícies topográfica Janela inicial do QGIS Plugin Manager do QGIS Selecione um mapa raster para exibir Altere a cor da linha do mapa vetorial Mapas raster e vetorial exibidos no QGIS Janela do GRASS tools Mapas rasters disponíveis e propriedades Mapas vetoriais disponíveis e propriedades Janela do comando ps.map Mapa visualizado no Evince Lista de Tabelas 1 Estrutura dos comandos do GRASS Comandos do GRASS para importação de mapas raster Comandos do GRASS para importação de mapas vetoriais Dimensões de alguns elipsóides comumente utilizados Alguns datums comumente utilizados

7 1 - Introdução 1 1. Introdução Hoje em dia, programas Livres e de código aberto se tornaram sinônimos de inovação e progresso 1. A liberdade de uso, distribuição e modificação dos programas e de seus códigosfonte asseguram o intercâmbio de idéias entre usuários e desenvolvedores, o que reflete em um sistema estável, com atualizações constantes e orientadas à demanda dos usuários. O GRASS-GIS (Geographic Resources Analysis Support System, é um Sistema de Informações Geográficas (SIG), com módulos para processamento e georreferenciamento de imagens multiespectrais, manipulação de dados em formato raster e vetorial, com interfaces para bancos de dados PostgreSQL, MySQL, SQLite, DBF, e ODBC, além de poder ser conectado a UMN/Mapserver, R-stats, gstat, Matlab, Octave, Povray, Paraview e outros programas. Este tutorial tem como objetivo introduzir o GRASS-GIS ao usuário através da Análise Digital de Terreno. Os exemplos foram produzidos com dados da região de Belo Horizonte e Catas Altas (MG) e podem ser obtidos em Neste tutorial foi utilizado o GRASS-GIS versão 6.2; diferenças na interface gráfica podem ocorrer de acordo com a versão do programa utilizada Fontes de informação Algumas fontes de informação, manuais e tutoriais que podem ajudar a aprender e usar o GRASS-GIS. Web site oficial: GRASS Wiki Lista de discussão eletrônica: Neteler & Mitasova (2004). Open Source GIS: A GRASS GIS Approach. Boston, Kluwer Academic Publishers. Dassau et al. (2005), An introduction to the practical use of the Free Geographical Information System GRASS 6.0, GDF Hannover br, disponível em gdf-hannover.de/literature Design e estrutura O GRASS-GIS é um Sistema de Informações Geográficas com funções orientadas a dados do tipo raster ou vetoriais. Cada função é conduzida por um módulo próprio, o que faz do GRASS um SIG bem estruturado e transparente. Além disso, como apenas os módulos 1 Leia mais sobre Software Livre em

8 1.2 Design e estrutura 2 necessários estão em execução, os recursos do computador são preservados, e garantem um melhor desempenho do sistema. Um Sistema de Informações Geográficas é caracterizado por quatro componentes principais: Entrada de dados Administração Análise Apresentação Os tipos de dados nesse sistema de quatro componentes podem ser classificados em geométricos, atributos e gráficos: Dados geométricos descrevem a situação espacial dos objetos, sua forma e sua posição no espaço. As relações entre pontos individuais, linhas e áreas são dadas por um sistema de coordenadas de referência, e sua relações com o mundo real. Dados geométricos podem ser do tipo raster (matricial, pixel) ou vetorial (pontos, linhas, polígonos, áreas, sólidos - ver figura 1.1): Dados raster são dados regularmente espaçados no espaço, em uma estrutura de matriz com células quadradas (normalmente) e de mesmo tamanho. Cada célula (pixel) recebe o valor de um atributo, que representa um fenômeno (por exemplo temperatura ou altitude). As células são organizadas em linhas e colunas, e seu valor pode ser acessado pelas coordenadas absolutas da matriz (linha/coluna) ou pelas coordenadas geográficas. Mapas raster são normalmente utilizados para aplicações de sensoriamento remoto como análise de imagens orbitais ou fotografias aéreas e para interpolação de dados irregularmente distribuídos no espaço, tal como a geração de Modelos Digitais de Terreno (MDT) a partir de pontos coletados por GPS ou por levantamentos a laser aeroportados (LiDAR). Uma das desvantagens de se trabalhar com dados raster é a quantidade de memória necessária e o tempo de processamento das análises, que cresce exponencialmente com o aumento da resolução espacial utilizada (particularmente no caso de modelos de elevação de alta resolução como os levantamentos a laser), porém com o contínuo aumento na capacidade de processamento e de armazenamento dos compuatdores atuais, essa questão já não é mais considerada como essencial. Outro ponto a ser lembrado é que dados raster não possuem relações de vizinhança (Topologia: o polígono A está à direita do polígono B, e assim por diante), uma vez que cada pixel é definido de maneira independente dos outros.

9 1.2 Design e estrutura 3 Figura 1.1. Geometia e atributos de dados no GRASS-GIS Dados vetoriais são usados para informações de objetos lineares ou áreas definidas por linhas fechadas (polígonos). Uma linha conecta dois pontos extremos (end points nós ou vértices), cada um com suas respectivas coordenadas XY ou XYZ. Cada objeto vetorial pode possuir vários (ou nenhum) atributos, armazenados em um banco de dados. Para uso interno ao GRASS, os bancos de dados dbase e sqlite estão disponíveis. Existem interfaces para acesso à DBMs (Database Management System) externos, como PostgreSQL, Oracle, mysql, Access, etc. Para o armazenamento externo ao GRASS de dados geométricos e atributos, existem interfaces para PostGIS ou Oracle Spatial. Em comparação com dados raster, os dados vetoriais utilizam menos memória e têm menor tempo de processamento na maioria das análises. Além disso, no GRASS, os vetores possuem relações de topologia, o que significa que cada objeto vetorial sabe quais vértices possui e/ou com quais áreas faz vizinhança. Dados pontuais podem ser considerados uma forma especial de dados vetoriais (pontos vetoriais), e são usados para armazenar informações pontuais espalhadas em uma área, como pontos de coletas de amostras, localização de sítios arqueológicos, etc. Atributos (categorias) são, como o nome sugere, atributos relacionados aos tipos de dados mencionados anteriormente, e normalmente são armazenados em um banco de dados interno ao sistema SIG ou em um banco de dados externo através de uma interface tipo DBMI (Database Management Interface). Gráficos descrevem os métodos usados para desenhar os objetos espaciais nos vários dispositivos de saída existentes (tela do monitor, impressora, etc).

10 1.3 Dimensão de dados em SIG 4 Em um SIG, as relações entre esses tipos de dados (geométricos, atributos e gráficos) definem duas estruturas básicas de dados: Estruturas contínuas -> objetos laminares e ilimitados no espaço (superfícies) Estruturas discretas -> objetos definidos como linhas e áreas Dentro do GRASS-GIS, diversos módulos permitem a conversão entre estruturas diferentes. Curvas de nível, por exemplo, podem ser armazenadas como vetores (estruturas discretas) e podem ser convertidos para uma representação contínua do terreno (raster) por interpolação. Nesse caso a qualidade do modelo resultante irá depender da qualidade e resolução dos dados originais (Fig. 1.2). Figura 1.2. Comparação de dados raster e vetorial em uma mesma área 1.3. Dimensão de dados em SIG Dados espaciais são normalmente disponíveis como superfícies laminares em duas dimensões (2D) ou em duas dimensões e meia (2.5D). Sempre que houver um terceiro parâmetro além das coordenadas XY (Z=elevação, por exemplo), nós dizemos que os dados têm 2.5D. Os únicos dados realmente tri-dimensionais são aqueles que possuem quatro parâmetros (XYZ + atributo) como no caso de sólidos representando edifícios ou em modelos que utilizam voxels, que são o equivalente dos pixels em três dimensões, representados por cubos no espaço contendo um valor de atributo (Fig. 1.3) Organização dos projetos A organização dos projetos segue uma hieraquia baseada em Locations e mapsets. A Location compreende toda a área de trabalho, enquanto que o mapset é a porção ativa e utilizada para análise, que pode ser do mesmo tamanho ou menor que a location; vários mapsets podem ser definidos para a mesma location.

11 1.4 Organização dos projetos 5 Figura 1.3. Dimensão de dados em SIG Em ambientes multiusuário, várias pessoas podem trabalhar na mesma Location ao mesmo tempo, mas não no mesmo mapset. Para contornar essa limitação, dados de interesse comum (tais como modelos de relevo, imagens de satélite etc) podem ser armazenados em um mapset especial ao qual todos os usuários têm acesso, chamado de PERMANENT, que é criado automaticamente ao se criar uma nova Location. Um conceito importante dentro do GRASS é o de region, que define, dentro do mapset, a área de interesse e a resolução espacial dos mapas raster. Tanto a resolução espacial quanto as coordenadas do retângulo envolvente da region podem ser facilmente alteradas sem a necessidade de reinicialização do sistema ou a criação de novos projetos; é possivel salvar as configurações da region para acessá-la facilmente quando necessário. É preciso frisar que todas as análises envolvendo mapas raster (análise de terreno, álgebra de mapas, interpolação de superfícies etc) são efetuadas de acordo com as configurações da region ativa, e que esta não necessariamente corresponde com as configurações do Display. Os dados referentes aos projetos são armazenados em um diretório (pasta) chamado pelo GRASS de GISBASE. As Locations serão subdiretórios de GISBASE, os mapsets serão subdiretórios dentro de cada Location e assim por diante. Normalmente o diretório GISBASE (p.ex., grassdata) é criado antes de se rodar o GRASS pela primeira vez: > cd <Enter> > mkdir grassdata <Enter> No Linux, o comando cd (change directory) leva ao diretório inicial do usuário. Com mkdir (make directory), o diretório grassdata é criado. Uma vez que cada parte dos layers (p.ex., geometria, tabela de atributos, objetos gráficos) é armazenada em subdiretórios diferentes, a manutenção dos dados dos projetos (p.ex., copiar, apagar, renomear) deve ser feita apenas com os comandos apropriados (g.copy, g.remove, g.rename).

12 1.5 O mapset PERMANENT 6 Figura 1.4. Exemplo da estrutura projetos no GRASS-GIS, extraído de Dassau et al. (2005) O mapset PERMANENT Todas as informações sobre projeção cartográfica, resolução espacial e extensão da área do projeto são armazenadas no mapset PERMANENT, que é gerado automaticamente pelo GRASS ao se criar uma Location. Se necessário dados de interesse comum podem ser armazenados neste mapset. Como apenas o usuário que criou a Location tem permissão de escrita ao mapset PERMANENT, tem-se a garantia de que os dados não serão apagados ou modificados acidentalmente. Outros usuário (e também a pessoa com permissão de escrita ao mapset PERMANENT) devem criar mapsets adicionais para criar, salvar e alterar seus próprios arquivos e análises baseadas nos dados do mapset PERMANENT Arquivos do mapset PERMANENT Se nenhum mapa for armazenado em PERMANENT, o diretório irá conter apenas informações sobre o projeto: DEFAULT WIND Especificações dos limites e resolução espacial da region padrão (default).; MYNAME Nome do projeto. p.ex., SRTM;

13 1.6 Estrutura dos comandos no GRASS 7 PROJ INFO Especificações sobre a projeção cartográfica, datum e elipsóide; PROJ UNITS Unidade de medidas (metros, graus); WIND Especificações dos limites e resolução espacial da region atual Estrutura dos comandos no GRASS A estrutura dos comandos do GRASS é bastante simples e clara. Os comandos (chamados de módulos no GRASS) tem nomes auto-explicativos e seu tipo pode ser reconhecido pelo prefixo. Por exemplo, o módulo para obter informações sobre mapas raster é r.info e o módulo para converter de formato vetorial para raster é o v.to.rast. Na tabela 1 vemos a estrutura geral dos nomes dos módulos em mais detalhe. Além dos módulos existentes no GRASS, todos os programas do ambiente Unix/Linux estão disponíveis com uso de linhas de comando na janela de terminal (ou de console). Apesar de muitos usuários iniciantes considerarem difícil usar estas funcionalidades, a programação de shell scripts é simples de se aprender, e pode ser usada para automatizar tarefas ou extender as funcionalidades do ambiente SIG de acordo com as necessidades de cada um. Prefixo Função Significado dos comandos d.* display Exibição e consulta gráfica no Map Display r.* raster Processamento de dados raster i.* imagem Processamento de imagens v.* vetor Processamento de dados vetoriais g.* geral Comandos gerais para manutenção de arquivos ps.* postscript Criação de mapas em formato postscript db.* database Gerenciamento de banco de dados r3.* voxel Processamento de dados raster 3D Tabela 1. Estrutura dos comandos do GRASS 1.7. Obtendo ajuda com relação aos módulos Arquivos de ajuda estão disponíveis para quase todos os 400 módulos do GRASS, onde são descritos a funcionalidade do módulo e a sintaxe de uso. Uma ajuda breve pode ser obtido com o uso do parâmetro -help, na linha de comando, como em d.rast -help. Descrições mais detalhadas encontram-se nas páginas de manual para cada módulo. Essas páginas podem ser acessadas on-line no web site do GRASS ou com o comando g.manual, como em g.manual d.rast, ou clicando no botão Help na janela de cada comando. A página de manual será aberta em um navegador de internet. Como se costuma dizer com relação à assuntos de informática, antes de sair por aí fazendo perguntas que já foram feitas (e respondidas) diversas vezes em listas de discussão, RTFM (Read The F***ing Manual!!).

14 2 - Mapas Raster - visão geral 8 2. Mapas Raster - visão geral O GRASS pode importar diversos tipos de mapas raster. agrupá-los em três categorias: De maneira geral, podemos Imagem: Rasters em formato de imagem sempre possuem valores positivos e inteiros, tais como os formatos PPM, PNG, JPEG, e GIF. ASCII: O formato ASCII podem conter valores positivos, negativos, inteiros ou decimais. Os arquivos ASCII-GRID do ArcInfo são exemplos desse formato. Binário: Rasters binários podem ter valores inteiros ou decimais, positivos ou negativos, que podem estar em diferentes canais (bandas), em diferentes resoluções espaciais. Exemplos são os arquivos [Geo]TIFF e ERDAS/IMG. Ao se importar um mapa raster no GRASS, deve-se sempre lembrar que os mapas são importados com sua extensão e resolução originais, mas exportados de acordo com a extensão e resolução definidas pela region ativa. A tabela 2 lista os comandos usados para importar diferentes formatos raster: Comando do GRASS r.in.ascii r.in.bin r.in.gdal r.in.srtm r.in.arc r.in.aster Formato Raster GRASS ASCII BIL, arquivos binários do GMT, LANDSAT TM5/ETM+ ArcInfo ASCII/Binary GRID, BIL, ERDAS (LAN, IMG), USGS DOQ, JPEG, SAR CEOS, EOSAT, GeoTIFF, PPM/PNM, SDTS DEM, GIF, PNG (veja também arquivos SRTM em formato HGT (usa GDAL) ESRI ARC/INFO ascii raster Imagens Terra-ASTER e ASTER DEMs Tabela 2. Comandos do GRASS para importação de mapas raster O módulo mais utilizado para importação (e exportação) de rasters é certamente o r.in.gdal, que usa a biblioteca GDAL (Geospacial Data Abstract Library). 3. Mapas Vetoriais - visão geral O GRASS é um SIG topológico, o que significa que elementos de mapas vetoriais compartilham componentes. Por exemplo, em um sistema não topológico, se duas áreas (polígonos) possuem uma borda (aresta) em comum, essa borda teria que ser digitalizada e armazenada duas vezes, o que não ocorrem em um sistema topológico, onde a borda em comum é compartilhada pelas duas áreas. Esse tipo de representação ajuda a manter mapas com uma geometria mais limpa e permite análises que não podem ser realizadas com dados não topológicos (também chamados de vetores tipo espaguete, uma vez que cada polígono tem que

15 3 - Mapas Vetoriais - visão geral 9 ser digitalizado inteiro). No GRASS-GIS, vetores com topologia são referidos como de nível 2, e dados tipo espaguete são de nível 1. Entretanto, a informação de topologia nem sempre é necessária, e os requisitos de memória e espaço em disco podem se tornar impraticáveis com determinados tipos de dados (como os resultantes de levantamentos topográficos por laser aeroportados - LiDAR). Sendo assim, existem dois módulos do GRASS que permitem trabalhar com dados vetoriais de nível 1 (sem topologia). O módulo v.in.ascii é usado para importação de dados pontuais e pode criar um layer vetorial sem construir a tabela de topologia. Normalmente é usado em conjunto com v.surf.rst, que realiza a interpolação de valores a partir de pontos ou isolinhas. Os seguinte objetos vetoriais estão definidos no GRASS-GIS: ponto: um ponto no espaço; linha: uma seqüência de pontos (vértices) conectados, com dois pontos extremos (endpoints) chamados de nós (nodes); borda (boundary): a linha que define uma área; centróide: um ponto dentro de uma borda fechada; área: face: a composição topológica de borda + centróide; uma área tridimensional; núcleo (kernel): um centróide tridimensional dentro de um volume (ainda não implementado); volume: um corpo tridimensional, a composição topológica das faces + núcleo (ainda não implementado); O módulo v.type pode ser usado para conversão entre tipos vetoriais (se possível). O módulo v.build é usado pra gerar topologia, e opcionalmente permite a extração de objetos espúrios em um novo mapa. Erros de topologia podem ser corrigidos manualmente dentro do ambiente do módulo v.digit ou, até certo ponto, automaticamente com v.clean. Polígonos adjacentes pode ser detectados com v.to.db (opção sides ). Ao se importar um mapa vetorial, é preciso considerar que existem diversos formatos e padrões diferentes de arquivos. A tabela 3 lista os comandos usados para importação de dados vetoriais. Provavelmente o formato mais utilizado é o ESRI SHAPE. O módulo v.in.ogr é o mais utilizado, por oferecer uma interface com a maioria dos formatos vetoriais. Adicionalmente, esse módulo tem opções para criar novas Locations ou extender a region padrão de acordo com os limites do mapa a ser importado. Outros módulos existem para casos mais específicos, como o v.in.ascii, usado para importar dados de arquivos texto com as coordenadas e os atributos de pontos no espaço (como no caso de dados LiDAR), e o

16 3.1 Manipulação de atributos 10 v.in.db, para importar a partir de um banco de dados contendo as coordenadas e atributos dos dados. O módulo v.external permite que mapas externos sejam ligados virtualmente ao mapset, não necessitando de importação (e consequente conversão para o formato nativo do GRASS). Apenas uma pseudo-topologia é gerada e a geometria do vetor não é importada. Os comandos v.out.* são usados para exportar os mapas vetoriais em vários formatos. Comando do GRASS v.in.ogr v.in.ascii v.in.dxf v.in.garmin v.in.e00 v.in.db Formato Vetorial SHAPE file, UK.NTF, SDTS, TIGER, S57, MapInfo-File, DGN, VRT, AVCBin, REC, Memory, GML, ODBC (veja também: Arquivos texto em formato x y[ z] e vetores ASCII exportados por versões antigas do GRASS Arquivos DXF (CAD Desktop exchange Format) Importa Waypoints, Tracks e Routes de um GPS Garmin ArcInfo-E00 Cria vetores a partir de bancos de dados com coordenadas x y[ z] Tabela 3. Comandos do GRASS para importação de mapas vetoriais 3.1. Manipulação de atributos Após a importação, o mapa estará disponível no formato vetorial nativo do GRASS. A geometria, topologia e os atributos são armazenados em um banco de dados interno do GRASS (em formato DBF por padrão). O GRASS pode ser conectado a um ou vários bancos de dados (Database Management Systems DBMS). Os comandos bd.* fornecem funcionalidades básicas de SQL (Structured Query Language) para manutenção de atributos, enquanto que os comandos v.db.* operam nos mapas vetoriais, Categorias: o número da categoria é o ID (IDentificador) do vetor e é usado para conectar (link) atributo(s) à cada objeto vetorial (cada objeto vetorial pode ter zero, uma, duas ou mais categorias). Os números de categoria são armazenados tanto no arquivo de geometria quanto na(s) tabela(s) de atributos para cada objeto vetorial (normalmente é a coluna cat ). A visualização e manutenção dos números de categoria pode ser feita com v.category. Para poder ligar um vetor à mais de uma tabela de atributos, mais de um número de categoria é necessário. Layers (camadas): é possível ligar (link) os objetos geográficos em um mapa vetorial a uma ou mais tabelas. Cada link com uma tabela diferente é chamado de layer. Um link define qual o driver de acesso ao banco de dados (MySQL, PostgreSQL, etc), qual o banco de dados e qual tabela desse banco de dados será utilizada. Cada número de categoria no arquivo de geometria corresponde à um linha na tabela de atributos (a

17 4 - Projeções cartográficas e sistemas de coordenadas 11 coluna de ligação é normalmente a coluna cat ). layers pode ser feita com v.db.connect. A visualização e manutenção dos Os layers do GRASS não contém nenhum objeto geogŕafico, mas na verdade consistem de links para tabelas de atributos nas quais os objetos podem ter zero, uma ou mais categorias. Se um objeto vetorial tem zero categorias em um layer, então ele não é exibido nesse layer. Os objetos vetoriais podem, portanto, aparecer em um determinado layer, mas não em outro(s). Esse sistema permite que objetos topologicamente conectados, mas tematicamente distintos (como florestas e lagos, por exemplo) sejam colocados em um mesmo mapa. Outra possibilidade é a ligação de atributos temporais à localidades que não mudam com o passar do tempo. Por padrão, o primeiro layer é ativo, ou seja, a primeira tabela corresponde ao primeiro layer. Outras tabelas são ligadas aos layers seguintes. Suporte à SQL: o driver ao banco de dados DBF (padrão interno do GRASS), provê apenas funcionalidades limitadas de SQL (uma vez que o DBF não é um banco de dados SQL), enquanto que outros DBMS externos ao GRASS como PostgreSQL, MySQL, SQLite etc, provêem funcionalidades de SQL completas, já que os comandos SQL são enviados diretamente à interface do banco de dados. Comandos SQL podem ser executados diretamente com db.execute, db.select e outros módulos db.*. 4. Projeções cartográficas e sistemas de coordenadas Antes de criar um projeto é preciso definir qual projeção cartográfica será utilizada. Além disso, no GRASS não é possível fazer transformações de coordenadas on-the-fly, ou seja, utilizar dados em diferentes sistemas de coordenadas ao mesmo tempo. Nas seções seguintes veremos brevemente alguns conceitos de geodésia, cartografia e os parâmetros das projeções mais utilizadas Geóide O geóide é considerado como uma representação matemática mais precisa da forma da Terra. É a superfície equipotencial do campo gravitacional da Terra, que coincide com o nível médio dos oceanos. Devido à sua complexidade matemática, a forma da Terra é geralmente representada em SIGs por elipsóides Elipsóide Como a simplificação da forma da Terra para uma esfera não é precisa a suficiente para gerar mapas em escala maior (com maior detalhe) do que 1: , é necessário utilizar elipsóides de revolução, que possuem achatamento nos pólos, para tentar definir uma superfície

18 4.3 Datum 12 Continente Geóide Elipsóide Oceano Figura 4.1. Relações entre a superfície da Terra, o geóide e o elipsóide. mais simples de se trabalhar do que o geóide, e ainda assim precisa o suficiente para fins cartográficos. Matematicamente, o elipsóide de referência é normalmente um esferóide oblato (achatado) com dois eixos diferentes, o raio equatorial (semi-eixo maior, a) e o raio polar (semi-eixo menor, b). Elipsóide Esfera Semi-eixo menor Pólo P Normal ao elipsóide no ponto P Equador Semi-eixo maior Longitude Geodética no ponto P Latitude Geodética no ponto P Figura 4.2. Elementos do elipsóide de referência. Elipsóide Semi-eixo maior (m) Semi-eixo menor (m) Achatamento Clarke , ,8 1/294, Internacional ,9 1/297,0 GRS ,3141 1/298, WGS ,3142 1/298, SGR , ,00 1/ Esfera (6371 km) Tabela 4. Dimensões de alguns elipsóides comumente utilizados 4.3. Datum Um datum (no plural, datums ou data), é uma referência a partir da qual são realizadas medidas. Em geodésia existem vários datums utilizados para definir sistemas de cordenadas, globais ou locais. Existem datums topocêntricos, cuja origem é um ponto na superfície

19 4.4 Projeções cartográficas 13 terrestre, e datum geocêntricos, com origem no centro de massa da Terra. O datum SAD-69 (South American Datum 1969 ), amplamente utilizado no Brasil, tem sua origem no vértice do Sistema Geodésico Brasileiro localizado no município de Chuá (MG). Atualmente, estamos em fase de transição do datum SAD-69 (topocêntrico) para o SIRGAS 2 (Sistema de Referência Geocêntrico para a América do Sul), que como o nome indica, tratase de um datum geocêntrico. O sistema de referência do SIRGAS coincide com o IERS 3 (International Earth rotation and Reference systems Service) e com o ITRF 4 (International Terrestrial Reference Frame), e tem os parâmetros do elipsóide Geodetic Reference System (GRS-80). Datum Região de uso Origem Elipsóide WGS 84 Global Centro de massa da Terra WGS 84 NAD 83 América do Norte, Caribe Centro de massa da Terra GRS 80 ED 50 Europa, África (norte) Potsdam Internacional 1924 SAD 69 América do Sul Chuá SGR 67 SIRGAS América da Sul Centro de massa da Terra WGS 84 Tabela 5. Alguns datums comumente utilizados 4.4. Projeções cartográficas A projeção é necessária para transferir a forma tridimensional da Terra para o plano, bidimensional (mapas). A fim de evitar, tanto quanto possível, a distorção (inevitável), existem diferentes modelos, que podem ser aplicados dependendo da situação, área geográfica, e até mesmo interesse político-econômico. Podemos classificar as projeções de acordo com a superfície de projeção e de acordo com as propriedades que são preservadas nos mapas (área, forma, distâncias, etc). De acordo com as propriedades preservadas: Direção: azimutal Forma (localmente): conformal ou ortomórfica Área: igual-área ou equivalente ou autálica Distância: equidistante De acordo com a superfície de projeção: Azimutal: o plano de projeção é posicionado como tangente à superfície da Terra (do elipsóide). Pode-se imaginar uma fonte de luz no infinito, iluminando através do globo, e projetando as sombras dos meridianos e paralelos no plano do mapa

20 4.4 Projeções cartográficas 14 Planas Cônicas Cilíndricas tangência Polar: plano tangente ao pólo Normal: eixo do cone paralelo ao eixo da Terra Equatorial: eixo do cilindro paralelo ao eixo da Terra Equatorial: plano tangente ao equador Transversa: eixo do cone perpendicular ao eixo da Terra Transversa: eixo do cilindro perpendicular ao eixo da Terra Oblíqua: plano tangente em um ponto qualquer Oblíqua: eixo do cone inclnado em relação ao eixo da Terra Oblíqua: eixo do cilindro inclnado em relação ao eixo da Terra Figura 4.3. Classificação de projeções cartográficas de acordo com a superfície de projeção (IBGE, 1998). Cilíndrica: o plano do mapa é tangente ao Equador, e enrolado no globo como um cilindro. Os meridianos e paralelos são projetados no plano e criam uma grade retangular. Cônica: neste caso, o plano do mapa é enrolado como um cone, com um ou dois pontos de tangência com a Terra (paralelos padrão - standard parallels). Frequantemente o vértice do cone é alinhado com os dois pólos, os meridianos se dispões radialmente (com o mesmo ângulo) e os paralelos formam círculos concêntricos. A superfície de projeção pode ser orientada perpendicularmente ao eixo da Terra (Normal), paralela (Transversa) ou diagonalmente (Oblíqua) (Fig. 4.3).

21 4.5 Sistemas de coordenadas Sistemas de coordenadas Após definir a projeção cartográfica, é preciso definir qual sistema de coordenadas será utilizado para tratar os dados. De modo geral, podemos agrupá-los em sistemas globais (latitude-longitude) e locais (UTM). Ainda pode-se trabalhar com sistemas cartesianos simples em duas (XY) ou três (XYZ) dimensões Latitude-Longitude Este é o sistema mais utilizado para tratar dados de áreas muito grandes, como continentes inteiros, ou o planeta todo. Os planos de refeêência são o Equador e o Meridiano de Greenwich. A Terra é dividida em 180 de longitude a partir de Greenwich para Leste e para Oeste, e em 90 de latitude para Sul e Norte do Equador. A altitude é medida a partir do centro de massa da Terra. No GRASS as coordenadas podem ser especificadas no sistema sexagesimal, em Graus:Minutos:Segundos mais uma letra para indicar o quadrante como em 45:32:02.43W, ou em graus decimais (valores positivos para Norte e Leste e negativos para Sul e Oeste) como em Sistema UTM No sistema UTM (Universal Transverse Mercator), utiliza-se a projeção cilíndrica transversa de Mercator. A Terra é dividida em 60 zonas (fusos) com 6 de longitude cada, entre 84 de latitude norte e 80 de latitude sul, com exceção de algumas áreas nas regiões próximas aos pólos (Fig. 4.4). As coordenadas são indicadas por E (Este) e N (Norte) e têm sua origem no Meridiano central de cada zona e no Equador. Para evitar valores negativos, o meridiano central recebe o valor de km e o Equador, 500 km (Fig. 4.5). Os meridianos centrais estão localizados em 3, 9, 15, e assim por diante, para Leste e Oeste. As zonas são divididas em faixas de sul para norte, indicadas por letras (Fig. 4.4). Importante: No GRASS as transformações entre projeções e sistemas de coordenadas são feitas de maneira pouco usual. Digamos que você tenha dados em UTM (origem) e quer converter para Latitude- Longitude (destino). É preciso ter uma Location com os dados em UTM e outra LatLong. A conversão é feita a partir da Location destino (LatLong, no exemplo), com os comandos r.proj (raster) e v.proj (vetor), indicando em qual Location os dados originais se encontram, e que devem ser convertidos para o sistema/projeção da Location atual.

22 4.5 Sistemas de coordenadas 16 Figura 4.4. Divisão das zonas UTM. Figura 4.5. Origem das coordenadas nas zonas UTM.

23 4.5 Sistemas de coordenadas 17 Figura 4.6. Divisão das zonas UTM na América do Sul.

24 5 - Bem-vindo(a) ao GRASS-GIS! Bem-vindo(a) ao GRASS-GIS! 5.1. Criando uma Location e um mapset O primeiro passo ao trabalhar com GRASS é a criação de uma Location e de ao menos um mapset. Ao rodar o programa pela primeira vez, você verá uma janela de terminal (também chamada de console) como a da figura 5.1. Essa mensagem somente é mostrada na primeira vez em que o GRASS é iniciado. Pressione <Enter> e a janela verde-clara da figura 5.2 aparecerá. Figura 5.1. Tela de terminal com a mensagem de boas-vindas ao GRASS-GIS. Na figura 5.2 temos o campo superior central (GIS Data Directory), com o caminho para o diretório (pasta) GISBASE, onde são armazenados os dados dos projetos. No campo inferior da esquerda estão listadas as Locations; cada uma é um subdiretório de GISBASE. No campo inferior central, são listados os mapsets; novamente, cada um é um subdiretório da Location. No campo inferior da direita podemos criar um novo mapset em uma Location preexistente. Os três botões da porção inferior direita permitem criar Locations de maneiras diferentes. Com o botão Georeferenced file, usa-se um arquivo de texto simples, com uma sintaxe específica, para definir os parâmetros necessários. O botão EPSG codes permite que os parâmetros sejam informados por meio de códigos pré-definidos pela European Petroleum Survey Group (EPSG) para diversas combinações de datums e projeções cartográficas. Neste tutorial iremos utilizar o terceiro método, onde todos os parâmetros necessários são informado manualmente. Clique no botão Projection values; o processo continua com a tela da figura 5.3.

25 5.1 Criando uma Location e um mapset 19 Figura 5.2. Janela inicial do GRASS. Na tela da figura5.3, podemos definir o caminho para o diretório GISBASE (ou alterar o caminho definido na janela da figura 5.2), e os nomes da Location e de um mapset. Para continuar, tecle <Esc + Enter>. Figura 5.3. Definição dos nomes da Location e do mapset. Na tela da figura 5.4 decidimos se realmente queremos criar a Location definida no passo anterior e vemos uma listagem das Locations existentes em GISBASE (se houver alguma, claro). Se precisar alterar alguma coisa, responda <n> para retornar à tela anterior; se estiver tudo certo, confirme com <Enter>.

26 5.1 Criando uma Location e um mapset 20 Figura 5.4. Confira se você escreveu certo o nome da Location. Na figura 5.5 temos um aviso: tenha à mão os dados necessários para continuar, tais como as coordenadas da área do projeto, o datum a ser utilizado, a projeção cartográfica etc. Confirme com <Enter> e siga para o próximo passo. Figura 5.5. Tenha os dados do projeto sempre à mão! O primeiro parâmetro a ser definido é o sistema de coordenadas. Na figura 5.6 temos as opções X/Y, Latitude/Longitude, UTM e Other Projection. O GRASS oferece suporte a diversas projeções cartográficas e datums, através da biblioteca PROJ.4 5. Neste exemplo, usaremos a projeção UTM. Digite <c> para selecionar UTM, confirme com <Enter> e continue. Agora você será solicitado a escrever uma descrição de uma linha para a Location criada (pode até deixar em branco). Em seguida, você tera a opção de definir um datum (fig. 5.7). Digite <list> para ver uma lista (um pouco longa) dos datums suportados (fig. 5.8). 5

27 5.1 Criando uma Location e um mapset 21 Figura 5.6. Defina o sistema de coordenadas. Figura 5.7. Descreva sua Location e veja a lista de datums suportados. Figura 5.8. Início da listagem dos datums suportados.

28 5.1 Criando uma Location e um mapset 22 Na figura 5.9, vemos o final da listagem dos datums suportados. Podemos ver o datum SAD-69 (<sam69>), usado no Brasil, e o WGS-84 (<wgs84>), utilizado nos modelos SRTM. Digite <wgs84 + Enter>. Figura 5.9. Final da listagem dos datums suportados. A seguir você terá a opção de escolher um parâmetro de transformação para o datum escolhido; digite list para ver as opções possíveis. Neste caso temos apenas uma opção, portanto digite <1 + Enter> (fig. 5.10). Dependendo do datum escolhido, como no caso do SAD-69, existem várias opções de transformação de acordo com a localização da área do projeto. Figura Parâmetros de transformação para o datum WGS-84.

29 5.1 Criando uma Location e um mapset 23 Como estamos criando uma Location em UTM, é preciso definir a zona UTM e o hemisfério (norte/sul), para que o sistema trate corretamente a posição espacial dos dados. No diálogo da figura 5.11, informe a zona 23 e mude a opção padrão <n> do hemisfério (norte) para <y> (sul). Figura Indique a zona UTM e o hemisfério dos dados. Agora, é preciso definir as coordenadas do retângulo envolvente e a resolução espacial da region padrão. Você poderá definir outras regions com limites e resolução diferentes depois. No diálogo da figura 5.12, você usará os valores NORTH EDGE: , SOUTH EDGE: , WEST EDGE: , EAST EDGE e GRID RESOLUTION: 90. Confirme com <Esc + Enter>. Quando for trabalhar com projetos em Latitude/Longitude, pode usar valores no formato <graus:minutos:segundos N/S/E/W> como em <19:36:00S> ou em graus decimais (com valores negativos para os hemisférios Sul e Oeste), como em <-19.6>, e resolução como em <0:00:03> ou < >. Figura Defina os limites do projeto Na figura 5.13, vemos a tela de confirmação dos limites da region padrão. Se algo estiver errado, responda <n> para voltar à etapa anterior. Confirme com <Enter>, e você verá

30 5.1 Criando uma Location e um mapset 24 novamente o diálogo inicial com a definição dos nomes da Location e do mapset (fig. 5.14). Confirme novamente com <Esc + Enter>. Figura Confira se não errou nada... Figura Confirme os nomes da Location e do mapset. O último passo é a confirmação da criação do mapset selecionado (fig Confirme com <Esc + Enter>. Agora a interface gráfica será iniciada e você deverá ter quatro janelas, como as da figura Em nosso exemplo, a janela da esquerda inferior é um terminal, onde os comandos podem ser digitados manualmente. Usuários mais experientes geralmente consideram usar o terminal de comandos mais rápido e flexível. A janela da direita inferior, a janela de Output, é para onde mensagens do sistema são enviadas; nela podemos acompanhar o progresso da execução de comandos, por exemplo. A janela da esquerda superior é o GIS Manager, onde estão os comandos para análise e onde escolhemos quais mapas (layers) serão exibidos no monitor. A janela da direita superior é o Map Display, onde são exibidos os layers existentes. Diversos Map Displays podem ser abertos ao mesmo tempo. Uma descrição mais detalhada das funcionalidades do GIS Manager e do Map Display serão discutidas no próximo capítulo.

31 5.1 Criando uma Location e um mapset 25 Figura Pronto? Confirmação final. Figura Interface gráfica do GRASS-GIS 6.2

32 5.2 Apresentando o GIS Manager e o Map Display Apresentando o GIS Manager e o Map Display Neste capítulo veremos brevemente as funcionalidades do GIS Manager e do Map Display. No GIS Manager (ou, simplesmente, gism, fig. 5.17) encontramos todos os comandos separados em menus, e alguns dos mais utilizados estão agrupados em duas barras de ferramentas (fig e 5.19). Abaixo das barras de ferramentas temos a área onde são organizados os diversos layers, vetoriais e raster, além de composições coloridas (RBG ou IHS), gráficos e elementos cartográficos, como barras de escala e seta de norte. Note que o empilhamento vertical dos layers no gism reflete a ordem em que serão exibidos no Map Display. Figura Janela do GIS Manager. Na porção inferior do gism temos várias opções de exibição de acordo com o tipo de mapa selecionado. No exemplo podemos ver algumas das opções para mapas raster, tais como opacidade, qual mapa será exibido (Base map) e qual intervalo de valores nos interessa. Mais detalhes serão apresentados adiante. Nas figuras 5.18 e 5.19, temos as duas barras de ferramentas do gism, com a indicação das funcionalidades, e na figura 5.20, a barra de ferramentas do Display Manager. Na figura 5.21, vemos as opções de zoom disponíveis (Zoom para...); podemos ajustar o zoom a um mapa selecionado, a uma region previamente salva, salvar a extensão do zoom atual como uma region, etc.

33 5.2 Apresentando o GIS Manager e o Map Display 27 Figura Barra de ferramentas superior do GIS Manager. Figura Barra de ferramentas inferior do GIS Manager. Figura Barra de ferramentas do Map Display. Figura Opções de zoom do Map Display.

34 6 - Importação de dados SRTM Importação de dados SRTM Agora que já vimos um pouco do básico sobre o GRASS, vamos prosseguir com a importação da imagem SRTM 6, com o o comando r.in.gdal 7. Os dados utilizados neste tutorial podem ser obtidos em tutorial_tif.zip. Após baixar os arquivos, continue com a importação. Vá em File Import Raster map Multiple formats using GDAL (Fig. 6.1). Note que à medida em que você movimenta o ponteiro do mouse sobre os ítens dos menus, o nome do comando aparece na parte inferior esquerda da janela do gism (nesse caso, r.in.gdal). Além de importar o arquivo para a Location ativa, pode-se ampliar os limites da region ativa ou mesmo criar uma nova Location, de acordo com a imagem que está sendo importada. Na figura 6.2 vemos as opções do módulo. Selecione o arquivo com extensão.tif para importação. Será necessário marcar a opção Overrride projection (use location s projection) para que a importação seja realizada, uma vez que a imagem TIF não possui informação de elipsóide. Figura 6.1. Selecione a importação através da biblioteca GDAL Com a imagem importada, vamos exibi-la no Map Display. Adicione um layer tipo raster clicando sobre o segundo ícone da barra de ferramentas superior do gism. Um novo ítem será adicionado à pilha de layers no gism. Clique em Raster 1 para selecioná-lo e em seguida em Base map; depois selecione o arquivo na lista apresentada (Fig. 6.3). No Map Display, clique em Zoom to... (veja a figura 5.20) e selecione a opção Zoom to selected map. Se estiver usando o mesmo arquivo de exemplo, você deverá ver o mesmo que a figura 6.4. As cores representam a elevação do modelo, e rapidamente pode-se notar algumas áreas onde a variação de cores não é suave como seria de se esperar, mas é brusca se você tiver baixado a imagem SRTM como um arquivo com extensão.hgt (ou.hgt.zip), pode usar o comando r.in.srtm para a importação.

35 6 - Importação de dados SRTM 29 Figura 6.2. Opções do comando r.in.gdal. Figura 6.3. Insira um novo layer na pilha e selecione o raster para ser exibido. Esses valores anômalos representam vazios (voids) nos dados, e podem ser causados por corpos d água ou falhas no retorno do sinal de Radar, principalmente em áreas de declividade elevada. Se fizermos um zoom na área da figura 6.5, podemos ver melhor essas áreas, que aparecem em amarelo. Se usarmos a ferramenta Query (Questão, na figura 5.20), ao clicar sobre a área em amarelo, teremos as coordenadas do ponto clicado e seu valor na janela de Output (figura 6.5). Note que nas áreas em amarelo os valores são zero, mas deveriam ser nulos (NULL, áreas que o sistema considera como sem valor algum). Se quisermos corrigir os voids do modelo, primeiro precisamos fazer com que os valores zero passem a ser valores nulos. Para isso vamos usar a [poderosa] ferramenta Map Calculator (comando r.mapcalc) que realiza operações aritméticas em mapas raster. Novos mapas podem ser criados como resultado de expressões aritméticas envolvendo mapas raster já existentes, constantes inteiras ou decimais e funções mais complexas (veja a página de Help do comando r.mapcalc para ver

36 6 - Importação de dados SRTM 30 Figura 6.4. A imagem SRTM, exibida no Map Display todas as suas funcionalidades). No gism selecione o menu Raster Map Calculator. Na janela que abre, clique no ícone do mapa A e selecione a imagem SRTM. no campo Formula escreva a expressão if(a==0,null(),a) que significa se o mapa A tiver valor zero, então mude esse valor para nulo, senão deixe como está. No campo Resulting output map escreva o nome do novo mapa (srtm_void, no exemplo) e clique em Run. Enquanto o comando é executado, o botão Run da janela fica inativo. Quando o processamento terminar, mude o raster no gism para srtm_void e no Map Figura 6.5. Use a ferramenta Query para ver o valor dos pixels da imagem

37 6 - Importação de dados SRTM 31 Display clique em Redraw all layers (segundo ícone). Note que você pode ligar/desligar a visualização de um layer no gism ao clicar no quadradinho vermelho do lado esquerdo do nome do layer. Figura 6.6. Janela do Map Calculator A imagem deve ser exibida com cores diferentes, e as áreas de voids devem estar em branco (Fig. 6.7). Isso acontece porque o GRASS define a escala de cores de uma imagem com base nos valores. Como a imagem que importamos originalmente tinha valores zero ao invés de nulos, a escala de cores foi ajustada para um intervalo de , enquanto que a imagem corrigida tem um intervalo de (informações como essa, o range de valores de um mapa raster, podem ser obtidas com o comando r.info, no menu Raster Reports and Statistics Report basic file information). Agora que acertamos os valores nulos da imagem, é hora de preencher os vazios para ter um modelo de elevação completo. Isso pode ser feito utilisando os valores existentes nas bordas dos vazios para interpolar novos valores dentro dos vazios, ou por outros métodos, como por exemplo o da Superfície Delta de Grohman et al. (2006). O comando r.fillnulls (Neteler, 2005) utiliza interpolação por Regularized Splines with Tension (RST - Mitasova & Hofierka, 1993; Mitasova & Mitas, 1993) para preencher os vazios, e é nossa escolha. As diversas opções de interpolação existentes no GRASS serão discutidas no capítulo 9.

38 6 - Importação de dados SRTM 32 Figura 6.7. A imagem SRTM, com valores nulos ao invés de zero Importante: Antes de executar a interpolação, lembre-se do conceito de region, que define a área de interesse das análises. A configuração da region é definida pelo comando g.region (menu Config Region Change region settings). Alterar o zoom no Map Display não necessariamente altera a region, apenas a área que é visualizada. Para fazer com que a área exibida no Map Display seja a área utilizada para análise, use a opção Zoom to... Set current region (WIND file) to match display. Com isso você pode selecionar rapidamente uma sub-área para análise. Você também pode gerar um novo mapa raster apenas de uma sub-área. Para isso, defina os limites dessa área (com g.region ou pelo Map Display) e depois use o comando r.resample (menu Raster Develop map Rasample (change resolution) using nearest neighbor method). Note que a resolução do mapa resultante será aquela definida por g.region. Para saber qual o tamanho das células da region, você pode digitar, na janela de terminal, g.region -p ou usar a interface gráfica (menu Config Region Display region settings). Se você quiser se certificar que o comando será executado na imagem toda, pode usar a sequência de comandos Zoom to... Zoom to selected map + Zoom to... Set current region (WIND file) to match display. O comando r.fillnulls encontra-se no menu Raster Interpolate Surfaces Fill NULL celss by interpolation using regularized spline tension. Na figura 6.8 vemos as

39 6 - Importação de dados SRTM 33 opções deste comando. Selecione o mapa que fizemos anteriormente (srtm_void) e escolha um nome para o novo mapa (no exemplo, srtm_filled). As opções de tension e smoothing são referentes à interpolação. Para uma descrição mais detalhada sobre como esses parâmetros influenciam no resultado da interpolação, consulte a página de manual de v.surf.rst. Veja como ficou o resultado no Map Display. Compare a figura 6.9 com a figura 6.5. Figura 6.8. Opções do comando r.fillnulls Figura 6.9. Modelo SRTM com vazios preenchidos

40 6.1 Extração de curvas de nível Extração de curvas de nível Agora que já temos o modelo SRTM corrigido, podemos extrair as curvas de nível do MDE. Esta é uma operação muito útil quando se trabalha em áreas carentes de levantamentos topográficos de maior detalhe. Usaremos o comando r.contour, disponível no menu Raster Generate vector contour lines. Como opções deste comando, podemos selecionar exatamente quais curvas de nível queremos ou indicar os níveis mínimo e máximo, e o intervalo altimétrico entre as curvas (Fig. 6.10). Figura Opções do comando r.contour No exemplo usamos o raster srtm_filled e criamos o mapa vetorial srtm_filled_- contours. Com base nas informações obtidas anteriormente com o comando r.info, definimos como valor mínimo a cota de 540 m, e como máximo 2080 m, com intervalo entre as curvas de 20 m, o mesmo utilizado nos mapas topográficos em escala 1: Note que não é necessário usar valores que estejam dentro do intervalo de valores do mapa. No nosso caso, o valor mínimo do raster é de 545 m, mas utilizamos como cota mínima 540 m, para obter um espaçamento mais usual das curvas de nível. A figura 6.11 mostra o resultado obtido. Como exercício, faça outro mapa de curvas de nível, mas desta vez defina os seguinte valores para as curvas: 550, 600, 700, 900, 1000, 1250, 1500, 1750 e Chame o novo mapa de srtm_filled_contours_levels e exiba o resultado no Map Display (Fig. 6.12).

41 6.1 Extração de curvas de nível 35 Figura Curvas de nível extraídas com o comando r.contour. Figura Curvas de nível para cotas definidas.

42 7 - Importação de dados vetoriais Importação de dados vetoriais Neste capítulo veremos a importação de mapas em formato vetorial. O foco será em duas necessidades muito comuns, a importação de arquivos em formato shapefile (SHP) e a criação de um mapa de pontos a partir de um arquivo texto (xyz) contendo as coordenadas e no mínimo um atributo por ponto. Os dados utilizados nesta parte do tutorial podem ser obtidos em tutorial_shape.zip Arquivos ESRI shape Dentre os diversos formatos de mapas vetoriais existentes, provavelmente o mais utilizado atualmente seja o shapefile, criado pela empresa ESRI 8, desenvolvedora do pacote SIG proprietário ArcGIS c. Com uma implementação simples e especificação técnica aberta 9, é muito difícil encontrar, hoje em dia, programas SIG que não suportem o formato SHP. Um shapefile consiste de um arquivo principal, um arquivo de índice e uma tabela em formato dbase. O arquivo principal contém os registros de todos os elementos gráficos (shapes pontos, linhas, polígonos) com uma lista dos vértices de cada elemento. No arquivo de índice, cada registro determina a posição do registro correspondente no arquivo principal. A tabela dbase contém os atributos das entidades geométricas. Note que devido à limitações do formato dbase IV, os nomes das colunas na tabela de atributos não podem exceder onze caracteres. Adicionalmente, pode-se ter um arquivo que especifique a projeção cartográfica e ainda arquivos auxiliares. Todos os arquivos devem ter o mesmo nome, sendo diferenciados pela extensão. Por exemplo: estradas.shp arquivo principal estradas.shx arquivo de índice estradas.dbf tabela de atributos estradas.prj arquivo de projeção cartográfica estradas.sbn arquivo auxiliar estradas.sbx arquivo auxiliar Após baixar os arquivos do tutorial, prossiga com a importação. Vá em File Import Vector map Multiple formats using OGR (figura 7.1). Além de importar o arquivo para a Location ativa, pode-se importar apenas as entidades localizadas dentro de determinadas coordenadas (subset), ou entidades selecionadas pelos seus atributos, por meio de expressões SQL

43 7.1 Arquivos ESRI shape 37 Figura 7.1. Selecione a importação através da biblioteca OGR Figura 7.2. Opções do comando v.in.ogr. Na figura 7.2 vemos as opções do módulo v.in.ogr. Veja no exemplo que o primeiro campo (OGR datasource) corresponde ao diretório onde estão os arquivos e que o nome do shapefile deve ser informado sem a extensão shp. Mais uma vez será necessário usar a opção Override projection, devido à pequenas inconsistências nos parâmetros dos arquivos, apesar dos dados estarem projetados de acordo com o sistema UTM. Faça o mesmo para o arquivo catas_drena.shp. Use o nome de drenagem para o novo mapa, e exiba os dois layers vetoriais, usando cores diferentes (Fig. 7.3). Para selecionar a cor e a espessura da linha, clique no quadradinho colorido (logo abaixo do botão icon, no gism) e escolha entre as opções. Aproveite e compare as curvas de nível digitalizados do mapa topográfico com as curvas de nível derivadas do modelo SRTM (seção 6.1. Exiba os dois layers com cores diferentes e use a ferramenta Zoom para observar detalhes de áreas diferentes do mapa (Fig. 7.4).

44 7.2 Arquivos ASCII 38 Figura 7.3. Curvas de nível e drenagem vetoriais exibidos no Map Display. Figura 7.4. Curvas de nível digitalizadas e calculadas a partir do MDE Arquivos ASCII A importação de pontos vetoriais a partir de arquivos texto é uma tarefa bastante comum em SIG. São arquivos de texto puro (também chamado de ASCII 10 ), sem formatação (negrito, itálico, etc). Podem ter extensão.txt (text),.dat (data),.csv (comma separated values),.asc, entre outras. Os dados são dispostos um por linha, com os atributos (latitude, longitude, elevação, etc) separados por espaço, vírgula, tabulação, ou outros caracteres especiais, como & e. Ao invés de simplesmente importar um arquivo XYZ qualquer, vamos aproveitar esta 10

45 7.2 Arquivos ASCII 39 oportunidade para ver mais alguns comandos do GRASS. Vamos criar um arquivo de pontos vetoriais, aleatoriamente distribuídos em uma área, atribuir um valor de elevação para cada ponto (a partir do modelo SRTM), exportar esses pontos como em formato ASCII e finalmente importar o arquivo XYZ Geração de pontos aleatórios Primeiramente, vamos ajustar os limites da region ativa para concidir com os limites dos mapas vetoriais de topografia e drenagem. Com um dos mapas selecionados no gism, vá no Map Display em Zoom to... Zoom to selected map e depois em Zoom to... Set current region (WIND file) to match display. Se quiser conferir se a operação funcionou, use a opção Zoom to... Zoom to current region (set with g.region) e confira se a área exibida não se altera. Se preferir, você pode fazer o mesmo digitando, na janela de terminal: g.region vect=drenagem Com isso a region passa a ter os limites do mapa drenagem. Agora vamos criar os pontos aleatórios, com o comando v.random. Vá em Vector Work with vector points Generate points Generate random points. Crie um novo layer chamado pontos_rand, com 2500 pontos (Fig. 7.5). Figura 7.5. Opções do comando v.random. Certamente seu resultado será diferente da figura 7.6, uma vez que a posição dos pontos é definida aleatoriamente. Se você não gostar da distribuição dos pontos por algum motivo, como áreas de grande concentração de pontos e outras meio vazias, clique no quadradinho da opção Overwrite, de modo a torná-lo vermelho, e rode o comando novamente, até atingir um resultado satisfatório.

46 7.2 Arquivos ASCII 40 Figura 7.6. Pontos aleatórios gerados com v.random Amostragem da altitude Ainda precisamos amostrar a altitude de cada ponto, a partir do modelo SRTM. Com o mapa pontos_rand selecionado no gism, procure a opção Show attribute columns (Fig. 7.7), e clique no ícone correspondente. Figura 7.7. Localize a opção Show attribute columns, no gism.

47 7.2 Arquivos ASCII 41 Na janela de Output, você deverá ver a mensagem de erro: Database connection for map <pontos_rand> is not defined in DB file O que significa que o mapa foi criado, mas a tabela de atributos não. Quando mapas vetoriais são criados dessa maneira, é preciso criar a tabela de atributos e povoá-la com uma linha por categoria. Isto pode ser feito usando o comando v.db.addtable (Fig. 7.8). Por alguma razão misteriosa, você não vai encontrar esse comando no gism. Digite v.db.addtable na janela de terminal e pressione Enter. Figura 7.8. Opções do comando v.db.addtable. Selecione o mapa pontos_rand. Note que o nome da tabela é opcional, se você deixar o campo em branco, a tabela será criada com o mesmo nome do mapa. No último campo (columns) temos a opção de criar mais colunas na tabela, além da coluna padrão cat. Ao rodar o comando, você deverá ver a seguinte mensagem: Using user specified table name: pontos_rand Creating new DB connection based on default mapset settings... Creating table with columns (cat integer) The table <pontos_rand> is now part of vector map <pontos_rand> and may be deleted or overwritten by GRASS modules Select privileges were granted on the table Updating database categories read from map 0 records selected from table 0 categories read from map exist in selection from table 2500 categories read from map don t exist in selection from table 2500 records updated/inserted 0 update/insert errors Current attribute table links:

48 7.2 Arquivos ASCII 42 Vector map <pontos_rand> is connected by: layer <1> table <pontos_rand> in database </home/guano/grassdata/srtm/apostila/dbf/> through driver <dbf> with key <cat> Isto significa que a tabela pontos_rand foi criada e que ela está ligada ao mapa pontos_- rand através da coluna cat. Agora sim podemos extrair a altitude de cada ponto, com o comando v.drape. Vá em Vector Develop Map Convert 2D vector to 3D by sampling raster. Especifique como mapa de entrada pontos_rand, como tipo points, como raster a ser amostrado srtm_- filled, e pontos_rand_z como mapa resultante (Fig. 7.9). O mapa gerado por este comando é um vetor 3D, ou seja, os valores amostrados do raster são armazenados como elevação, e não como atributos na tabela 11. Figura 7.9. Opções do comando v.drape. Após rodar este comando, se você usar a ferramenta Query, do Map Display, ao clicar sobre os pontos do mapa, você verá na janela de Output, as propriedades de cada um, como coordenadas, categoria e elevação: East: 43:22: W North: 20:06: S Map: pontos_rand_z Mapset: apostila Point Point height: Layer: 1 Category: 2027 driver: dbf 11 Veja que mapas 3D não precisam ter uma tabela associada, o que torna nossas últimas operações (v.db.addtable, etc) desnecessárias neste caso. Mas é sempre útil saber como criar uma tabela e povoá-la com dados.

49 7.2 Arquivos ASCII 43 database: /home/guano/grassdata/srtm/apostila/dbf/ table: pontos_rand_z key column: cat cat : Exportação como ASCII Com o mapa de pontos criado e convertido para 3D, podemos exportá-lo como ASCII, com o comando v.out.ascii. Vá em File Export Vector Map ASCII vector or point file/ old GRASS vector file. Defina pontos_rand_z como input e pontos_- rand_z_ascii como resultado (Fig. 7.10). Se você não definir um diretório específico para o arquivo de saída, ele será gravado no seu diretório home. Veja que no Linux não é obrigatório definir uma extensão para o arquivo, pois o sistema sabe que se trata de um arquivo texto ascii e vai usar um editor de textos simples para abrí-lo. Se você estiver trabalhando no Windows TM, deverá indicar uma extensão, como.txt. Figura Opções do comando v.out.ascii. Abra o arquivo pontos_rand_z com um editor de textos (gedit ou notepad, por exemplo). Você verá as colunas separadas pelo sinal, como X Y Z cat: Importação do arquivo ASCII Vamos agora importar o arquivo ASCII (nosso objetivo inicial), com o comando v.in.ascii. Vá em File Import Vector map ASCII points file or GRASS ASCII vector file. Defina pontos_rand_z_ascii como entrada, pontos_ascii_import como resultado, e a coluna 3 como valor Z, para que o mapa seja criado como 3D (Fig. 7.11).

50 7.2 Arquivos ASCII 44 Note as opções Do not create table in points mode e Do not build topology in points mode, muito usadas quando o arquivo tem muitos pontos (da ordem de dezenas de milhares a milhões), o que torna inviável trabalhar com tabelas DBF. Figura Opções do comando v.in.ascii. Por fim, exiba os dois mapas de pontos sobrepostos, no gism. Faça com que pontos_- rand_z fique por baixo, e altere as cores da linha e do preenchimento do símbolo para vermelho. Mude o símbolo de pontos_ascii_import para basic/cross1, com tamanho 10 (Fig. 7.12). Figura v.random. Mapa de pontos importado com v.in.ascii sobreposto ao mapa gerado com

51 8 - Análise Digital de Terreno Análise Digital de Terreno 8.1. Hipsometria Vamos iniciar a análise de terreno com o mapa hipsométrico, onde temos a representaçao do relevo em classes de altitude (no nosso caso, classes de 100 metros). Vamos utilizar os comandos r.reclass.rules para criar o mapa com as classes de altitude e o comando r.colors para definir a cor de cada classe. Ao rodar o comando r.reclass.rules, deve-se especificar o nome do novo mapa a ser criado (Raster Change category values and labels Reclassify categories using rules, fig.8.1) e depois as regras de reclassificação, em uma janela de terminal (fig.8.2). Figura 8.1. Janela do comando r.reclass.rules As regras de classificação devem ser digitadas de acordo com o seguinte esquema: intervalo de dados = número da categoria rótulo da categoria digite end para finalizar a lista. Note que o intervalo dos dados é definido por menor valor thru maior valor. Outro ponto importante é que o comando r.reclass na verdade não gera um layer novo, mas apenas uma tabela de reclassificação que é interpretada pelo GRASS cada vez que é necessário acessar o layer novo (reclassificado). Isto é feito para economizar espaço em disco e faz com que, enquanto o layer reclassificado existir, não seja possível apagar ou renomear o layer original, pois a reclassificação depende dele para ser acessada. Para alterar as cores do mapa reclassificado, vamos usar o comando r.colors. Podemos escolher esquemas pré-definidos (Raster Manage map colors Set colors to predefined color tables, fig.8.3) ou utilizar regras próprias (r.colors.rules, Raster Manage map colors Set colors using color rules). Da mesma maneira que o comando anterior, as regras de classificação devem ser digitadas em uma janela de terminal).

52 8.1 Hipsometria 46 Figura 8.2. Janela de terminal com as regras de reclassificação Figura 8.3. Janela do comando r.colors Para o comando r.colors.rules, as regras de classificação podem ser digitadas de acordo da seguinte maneira: número da categoria valor_red valor_green valor_blue Existem outras opções para definir cores com r.colors, como utilizar porcentagens de Vermelho/Verde/Azul (RGB) ao invés de valores entre 0-255, utlizar nomes de cores ou esquemas pré-definidos. Para ver todas as possibilidades, consulte a página de manual do comando. Como já foi dito, o comando r.colors oferece várias tabelas de cores pré-definidas: aspect grey grey.eq grey.log byg byr (aspect oriented grey colors) (grey scale) (histogram-equalized grey scale) (histogram logarithmic transformed grey scale) (blue through yellow to green colors) (blue through yellow to red colors)

53 8.2 Relevo sombreado 47 gyr rainbow ramp random ryg wave rules (green through yellow to red colors) (rainbow color table) (color ramp) (random color table) (red through yellow to green colors) (color wave) (create new color table based on user-specified rules) E ainda algumas esquemas (regras) extras: aspect, bcyr, byg, byr, elevation, etopo2, evi, grey, gyr, population, rainbow, ramp, ryg, slope, srtm, terrain, wave. Na figura 8.4 temos o mapa hipsométrico com a tabela de cores elevation. Figura 8.4. Mapa hipsométrico com a tabela de cores elevation 8.2. Relevo sombreado Mapas de relevo sombreado são produzidos ao se simular a posição de um iluminante sobre um modelo de relevo, e são muito úteis para visualizar o relevo e estruturas geológicas. O comando r.shaded.relief pode ser acessado em Raster Terrain analysis Shaded relief map. Na figura 8.5 vemos as opções para este comando, como a altitude a o azimute do iluminante ea possibilidade de exagerar o relevo na imagem resultante. Como estamos trabalhando em uma region com sistema de coordenadas Latitude- Longitude, e a elevação dos pixels está em metros, temos que usar a opção Scale factor meters. O nome do mapa resultante é opcional; se você não indicar um, ele será automa-

54 8.2 Relevo sombreado 48 ticamente definido como mapa_original.shaded, ou você pode usar um nome um pouco mais informativo, como o usado no exemplo srtm_shaded_315_30, assim fica mais fácil lembrar que o relevo sombreado foi criado com azimute do iluminante em 315, com inclinação de 30. Figura 8.5. Opções do comando r.shaded.relief Figura 8.6. Mapa de relevo sombreado, com iluminante em 315, inclinação de 30. Uma opção interessante é visualizar o relevo sombreado com a escala de cores sobreposta. Para isso, no gism, selecione o mapa de relevo sombreado como Base map e o modelo de relevo como Drape map. Visualize o resultado no Map Display (figura 8.7a). A aparência da imagem produzida varia bastante de acordo com o azimute do iluminante.

55 8.3 Índices de forma 49 Feições lineares do relevo (que podem estar ligadas à estruturas geológicas, por exemplo) são destacadas quando o iluminante está posicionado na direção perpendicular à feição. Caso o interesse seja uma análise de elementos lineares interpretados em imagens de relevo sombreado, deve-se produzir vários mapas, com iluminante posicionado em diferentes orientações. A posição do iluminante pode até mesmo fazer com que tenhamos a impressão de relevo invertido. Pessoas que moram no hemisfério sul, por exemplo, estão acostumadas com iluminação vinda de norte em aerofotografias e em imagens orbitais. Um mapa de relevo sombreado com iluminação vinda de sul pode parecer invertido para alguns. Compare as figuras 8.7a e 8.7b. (a) Iluminante em 45, inclinação de 30. (b) Iluminante em 225, inclinação de 30. Figura 8.7. Mapas de relevo sombreado, com iluminantes em diferentes posições 8.3. Índices de forma Diversos parâmetros morfométricos podem ser usados para descrever a superfície topográfica, tais como declividade da vertente (slope), orientação da vertente (azimute ou aspecto, aspect) e curvaturas associadas à forma concâva/convexa da forma de relevo. Para calcular esses índices, vamos usar o comando r.slope.aspect (Raster Terrain analysis Slope and aspect). As principais opções do comando podem ser vistas na figura 8.8. Por padrão o mapa de declividade (fig. 8.9) tem valores em graus, ou opcionalmente em porcentagem. O mapa de orientação de vertentes (fig. 8.10) tem valores iniciando em Leste, crescendo em sentido anti-horário: 90 corresponde a Norte, 180 a Oeste, 270 a Sul e 360 a Leste. O valor 0 (zero) é usado para identificar áreas de orientação indefinida quando a a superfície é plana (declividade zero). Caso a unidade dos valores de elevação do layer original não esteja em metros, é preciso usar a opção zfactor para converter os valores.

56 8.3 Índices de forma 50 Figura 8.8. Principais opções do comando r.slope.aspect Os cálculos deste comando são realizados de acordo com as fórmulas de Horn (1981). Para a determinação da declividade e do aspecto, o algorítmo utiliza uma matriz 3x3 ao redor de cada pixel, portanto não é possível calcular os valores para as células adjacentes às bordas do layer. Essas células recebem valores de declividade e aspecto zero. Caso o layer utilizado para calcular o aspecto seja do tipo integer (apenas valores inteiros), deve ocorrer maior freqüência de valores nas direções 0, 45, 90, 180, 225, 270, 315 e 360. Caso o layer seja do tipo float (valores fracionais), esse tipo de problema não deve acontecer. Células com declividade muito baixa também terão maior freqüência de valores nas direções 0, 45, 90, 180, 225, 270, 315 e 360. Para evitar que isso ocorra, pode-se utilizar a opção min_slp_allowed, que fará com que todas as células com declividade menor que o valor estabelecido recebam valores nulos. Dependendo da aplicação, o usuário pode necessitar de uma mapa com declividade agrupadas em classes. Isto pode ser feito com o comando r.reclass.rules. Um exemplo de classificação é dado na página de manual do comando r.slope.aspect: categoria intervalo rótulos (labels) (em graus) (em porcentagem) % % % % % % % e acima

57 8.3 Índices de forma 51 Figura 8.9. Mapa de declividade Figura Mapa de orientação de vertentes Além da declividade e da orientação de vertentes, podemos usar o comando r.slope.aspect para calcular a curvatura vertical (ou curvatura de perfil, profile curvature), a curvatura horizontal (ou curvatura tangencial, tangential curvature), e as derivadas parcias de primeira e segunda ordem nas direções X e Y. A curvatura vertical é a taxa de variação da declividade medida na direção perpendicular à vertente (na direção do aspecto), e exprime o comportamento de aceleração/desaceleração de fluxos sobre a superfície topográfica (fig. 8.11). Valores positivos indicam curvaturas côncavas (desaceleração de fluxo) e valores negativos indicam curvaturas convexas (aceleração de fluxo). As curvaturas têm valores expressos na forma 1/metros, ou seja, um valor de 0.05 siginifica um raio de curvatura de 20m. A curvatura horizontal é medida na direção perpendicular à declividade da vertente, e

58 8.3 Índices de forma 52 exprime a relação de convergência/divergência de fluxos sobre a superfície (fig. 8.11). Valores positivos indicam vertentes côncavas (fluxo convergente) e valores negativos indicam vertentes convexas (fluxo divergente). Para mais informações sobre o cálculo dos índices de forma discutidos, recomenda-se a consulta de Ruhe (1975); Evans (1980); Zevenbergen & Thorne (1987); Wood (1996); Florinsky (1998); Florinsky et al. (2002); Shary et al. (2002). Figura Relações entre as curvaturas Vertical e Horizontal Figura Mapa de curvatura vertical (profile curvature).

59 9 - Interpolação de superfícies Interpolação de superfícies Uma das tarefas mais comuns em SIGs é a interpolação de valores pontuais (distribuídos regular ou irregularmente no espaço) em uma superfície contínua, que pode ser usada em diversas modelagens e simulações. Provavelmente o exemplo mais comum seja a geração de Modelos Digitais de Elevação (MDEs), a partir de valores pontuais de elevação ou curvas de nível digitalizadas de mapas topográficos. A seguir, vemos duas aplicações principais para interpolação de valores e os módulos do GRASS utilizados: Alterar a resolução espacial de dados raster (reamostragem) Métodos dos vizinhos mais próximos (nearest neighbor - NN) Interpolação por Splines (Regularized Splines with Tension - RST) Preenchimento de áreas sem dados (interpolação) Inverso da potência da distância (Inverse Distance Weighted - IDW) Interpolação por Splines (Regularized Splines with Tension - RST) 9.1. Reamostragem A reamostragem de mapas raster pode ser feita de duas maneiras: por vizinhos mais próximos (módulo r.resample) ou por Splines (módulo r.resamp.rst). No primeiro caso, o mapa resultante terá a resolução da region ativa, e o valor de cada pixel será dado pelo valor do pixel original que estiver mais próximo do centro do novo pixel (Fig. 9.1). No segundo caso, pode-se ajustar diversos parâmetros da interpolação para um melhor resultado (veja mais na seção 9.3) Reamostragem Figura 9.1. Reamostragem (mudança na resolução espacial) por vizinhos mais próximos Inverso da potência da distância - IDW Trata-se de um método de interpolação local, que se baseia na premissa de que pontos próximos possuem valores mais similares que pontos distantes. A variação entre os valo-

60 9.3 Splines regularizadas com tensão - RST Reamostragem Figura 9.2. Reamostragem (transformação geométrica) por vizinhos mais próximos. res é modelada segundo o quadrado ou cubo do inverso da distância entre os pontos (Fig. 9.3). Módulos do GRASS para interpolação por IDW (o resultado será sempre um mapa raster): v.surf.idw dados vetoriais (pontos, curvas de nível vetoriais) r.surf.idw dados raster raio de busca ponto a ser estimado (Z') Z 1 Z 6 d 6 Z 5 d 1 d 5 Z 2 d2 d 4 d 3 Z 3 Z Z'=Σ(1/d )Z / Σ1/d Figura 9.3. Esquema da interpolação por IDW Splines regularizadas com tensão - RST O método de interpolação/aproximação por splines também é apropriado para o preenchimento de vazios nos dados (como a área de um lago, por exemplo) A idéia é gerar uma superfície que passe exatamente pelos pontos de dados ou próximo deles o suficiente para gerar uma superfície contínua e que preencha os espaços vazios (data blanks, voids). O ajuste

61 9.4 Interpolação de MDE por RST 55 dos parâmetros de interpolação muda o comportamento da superfície calculada, desde uma membrana elástica passando exatamente por todos os pontos até uma superfície mais rígida, que não passa pelos pontos e define apenas uma tendência geral dos dados. Para um melhor resultado, recomenda-se a leitura das páginas de manual dos módulos. Informações adicionais e mais detalhadas podem ser encontradas nos seguintes trabalhos: Smith & Wessel (1990); Mitasova & Mitas (1993); Mitasova & Hofierka (1993); Hofierka et al. (2002). Módulos do GRASS para interpolação por RST: v.surf.rst dados vetoriais (pontos, curvas de nível vetoriais) v.vol.rst para geração de volumes tridimensionais (G3D grid) Outros módulos do GRASS para interpolação de dados: r.surf.area Estimação de áreas para mapas raster r.surf.contour Cálculo de superfícies (MDEs) a partir de curvas de nível em formato raster r.surf.fractal Gera uma superfície fractal de determinada dimensão fractal r.surf.gauss Usa um gerador de números aleatórios gaussiano para gerar uma superfície de valores de distribuição gaussiana com média e desvio padrão determinados pelo usuário r.surf.random Gera um mapa raster com valores aleatórios com intervalo (range) definido pelo usuário Interpolação de MDE por RST Vamos agora gerar um modelo de relevo a partir das curvas de nível que importamos anteriormente (seção 7.1). Antes de iniciar o comando v.surf.rst, é preciso definir os limites da region de interesse, já que alguns parâmetros do comando têm seus valores padrão determinados a partir da resolução espacial da region ativa. Você pode fazer isso pelos menus do gism ou, mais rapidamente, pela linha de comando. Para definir os limites da region como os mesmos do mapa topografia e ao mesmo tempo ajustar a resolução, digite o seguinte comando na janela de terminal: g.region vect=topografia res=45 -a -p

62 9.4 Interpolação de MDE por RST 56 Assim a resolução passa a ser de 45 m, e as opções -a e -p servem para que os limites da region sejam alinhados (-a) para evitar valores quebrados nas coordenadas limites e depois impressos no terminal (-p). Agora sim inici o comando v.surf.rst, pelo menu Raster Interpolate surfaces Regularized spline tension interpolation from vector points or contours. Este comando tem muitas opções (Fig. 9.4). Figura 9.4. Opções do comando v.surf.rst. Usaremos o mapa topografia como dado de entrada, mas antes precisamos descobrir qual o nome da coluna em que estão os dados de altitude de cada curva de nível 12. Você pode usar a opção Show attribute columns, do gism (Fig. 7.7) ou o comando db.describe (menu Databases Database information Describe table). No nosso caso, o nome da coluna é cat_. Chame o mapa resultante de topografia_rst, e mantenha os demais valores como os padrões sugeridos pelo programa (veja que as opções dmax e dmin são definidas automaticamente a partir do valor da resolução da region ativa). Ainda pode-se calcular ao mesmo tempo os mapas de declividade, orientação de vertentes e curvaturas (seção 8.3). Exiba o resultado no Map Display e compare com o modelo SRTM (Fig. 9.5). Aparentemente os mapas são muito similares, certo? Vamos ver isso com mais detalhe usando a ferramenta Map Calculator para álgebra de mapas raster (comando r.mapcalc, seção 6). No mapcalc, faça uma subtração dos dois mapas (SRTM menos RST) e chame o resultado de srtm_diff_rst. Exiba o resultado (Fig. 9.6). 12 Pode-se usar um mapa vetorial sem tabela associada (3D) ao definir a opção layer como 0 (zero)

63 9.4 Interpolação de MDE por RST 57 Figura 9.5. Resultado da interpolação por RST (esquerda) e modelo SRTM (direita). Figura 9.6. Resultado da subtração entre o modelo SRTM e a interpolação por RST.

64 9.4 Interpolação de MDE por RST 58 Veja as diferenças numéricas com o comando r.info para cada mapa: r.info map=srtm_filled Range of data: min = max = r.info map=topografia_rst Range of data: min = max = r.info map=srtm_diff_rst Range of data: min = max = Você também pode visualizar as diferenças com o gism. No campo values to display (logo abaixo do nome do mapa a ser exibido), entre com valores no formato mínimo-máximo, como (de -30 até +30) ou (de -30 até -15) e veja o resultado no Map Display (Fig. 9.7). Figura 9.7. Diferenças entre os mapas, exibindo valore entre -30 e +30. Outra maneira de visualizar a diferença entre os mapas é exibir um histograma. No gism, insira um layer de histograma (quarto ícone na barra de ferramentas superior, Fig. 5.18) e selecione o mapa srtm_diff_rst (Fig. 9.8). Note que as cores do histograma são as mesmas do mapa raster, e que os valores extremos correspondem a poucos pixels, provavelmente dados espúrios no modelo SRTM ou ocasionados por erros na digitalização das curvas de nível (como uma cota marcada 200 ao invés de 2000).

65 9.4 Interpolação de MDE por RST 59 Figura 9.8. Histograma do mapa de diferenças. Mas qual a verdadeira causa dessa diferença tão grande entre os dois mapas? Vamos olhar mais de perto aquelas áreas do mapa onde estão as cores ligadas aos valores maiores (positivos e negativos). Faça um zoom na área indicada em amarelo na figura 9.9 e use a ferramenta Query para observar os valores do mapa de diferenças (destacados na Fig. 9.9). Figura 9.9. Zoom e Query no mapa de diferenças.

66 9.4 Interpolação de MDE por RST 60 Agora inclua um layer raster no gism e selecione o mapa srtm_voids. Se necessário, ajuste a ordem verticaldos mapas de modo que o srtm_voids fique acima do srtm_diff_rst (clique no nome e arraste). Antes de exibir os dois mapas sobrepostos, altere a tabela de cores do mapa srtm_voids com o comando r.colors (seção 8.1) para tons de cinza (grey) (Fig. 9.10). Figura Modemo SRTM com vazios sobreposto ao mapa de diferenças. Veja que os pontos de maior diferença entre os mapas estão localizados dentro dos vazios originais do modelo SRTM (ou nas bordas dos vazios), portanto é preciso tomar muito cuidado com os parâmetros usados na interpolação usada para o preenchimento dessas áreas, pois o resultado pode ser bastante diferente do esperado, uma vez que não há dados para assegurar o comportamento correto da superfície interpolada.

67 10 - Visualização n-dimensional Visualização n-dimensional Nesta seção veremos um pouco sobre o visualizador n-dimensional do GRASS, o NVIZ. Nele é possível visualizar superfícies (pixels - 2.5D) e volumes (voxels - 3D), bem como dados vetoriais. Existem duas maneiras de iniciar o NVIZ. Se você o iniciar pelo ícone do gism (veja Fig. 5.19), o NVIZ será aberto sem nenhum mapa carregado, mas se você o iniciar pelo ícone do Map Display, todos os layers visíveis serõo carregados automaticamente, de acordo com as definições da region ativa. Como exemplo, selecione o mapa topografia_rst no gism, e via Map Display, defina o zoom para esse mapa e depois a region para os limites do display (Zoom to... Zoom to selected map + Zoom to... Set current region (WIND file) to match display). Agora inicie o NVIZ, e você deverá ver uma janela como a da figura A posição do observador pode ser controlada arrastando a seta para que ela aponte para a direção que se dejesa observar. A perspectiva aproxima ou afasta a cena, a altura (height) modifica sua posição na vertical e a opção zexag altera a escala vertical da superfície. Experimente um pouco os comandos para se acostumar com eles. Lembre-se que quanto maior a resolução espacial da region ativa, mais pesado fica para o programa, então por vezes você terá que clicar em Draw para forçar a imagem a ser redesenhada. Figura Janela inicial do NVIZ. Na janela do NVIZ, no menu Panel, existem várias opções para inserir/modificar mapas raster, vetoriais, iluminação, etc. Selecione a opção Lighting e altere a posição da fonte de luz do modelo (Fig. 10.2). Também é possível controlar a cor da luz ambiente a partir dos controles de vermelho, verde e azul.

68 10 - Visualização n-dimensional 62 Figura Controles de iluminação do NVIZ. Agora vamos alterar a cor da superfície exibida. Abra o painel de superfícies raster (textbfpanel Raster surfaces), clique no sub-menu Surface Attribute e depois em (Fig. 10.3). Na janela que abrir clique em New Map, para selecionar outro raster que será exibido sobreposto à superfície da topografia (drape). Na próxima janela, clique sobre o nome do mapset onde está o mapa (no nosso caso só temos uma possibilidade, apostila) e selecione o mapa srtm_diff_rst (Fig. 10.4). Figura Selecione para alterar a cor da superfície. Na figura 10.5 vemos o resultado da sobreposição do mapa de diferenças entre o modelo SRTM e o interpolado por RST sobre a topografia, onde pode-se ver bem em quais áreas

69 10 - Visualização n-dimensional 63 Figura Selecione o mapa a ser exibido como cor. estão as maiores diferenças entre as superfícies. Veja que qualquer mapa raster pode ser sobreposto a outro no NVIZ, seja um modelo de terreno, imagem de satélite ou fotografia aérea. Veja també que onde havia a seta para definir a direção de observação, há uma cruz, que foi selecionada pela opção center (acima da cruz, marcada em vermelho), usada para alterar o posicionamento do centro da imagem observada. Figura Sobreposição do mapa de diferenças à superfícies topográfica.

70 11 - O QGIS como interface gráfica alternativa O QGIS como interface gráfica alternativa O Quantum GIS (QGIS 13 é um SIG com suporte a diversos formatos de dados raster e vetoriais, com uma interface gráfica bastante amigável (similar à do ArcView 3.2, Fig. 11.1). Além de poder trabalhar nativamente com formatos ShapeFile, Geotiff entre outros, o QGIS possui um plugin para interagir com dados e ferramentas do GRASS, o que o torna interessante como interface gráfica alternativa ao gism. Figura Janela inicial do QGIS. Ao iniciar o QGIS, vá ao menu Plugins Plugin Manager (Fig. 11.2) e selecione o plugin GRASS Layer. Com o plugin selecionado, teremos acesso à ferramentas para incluir mapas raster ou vetoriais na área de trabalho do QGIS. Algumas ferramentas só se tornam ativas depois que tivermos incluído algum mapa no QGIS. 13 Figura Plugin Manager do QGIS.

71 11 - O QGIS como interface gráfica alternativa 65 Vamos começar incluindo um mapa raster. Use o ícone da barra de ferramentas ou vá em Plugins GRASS Add GRASS raster layer. Na janela que se abre, selecione a Location SRTM, o Mapset apostila, e o mapa srtm_filled (Fig. 11.3). O layer será exibido no painel central do QGIS e o nome será incluído no painel da esquerda (Legend). Inclua o layer vetorial drenagem. Note que no painel Legend, a ordem vertical dos layers funciona da mesma maneira que no GRASS. Aqui também podemos ligar e desligar a visualização do layer ou alterar suas propriedades, com um duplo-clique sobre seu nome. Figura Selecione um mapa raster para exibir. Dê um duplo-clique sobre o nome do layer drenagem, e altere a cor de exibição da linha (Outline color) para azul (Fig. 11.4) com outro duplo-clique sobre o retângulo colorido da janela Layer Properties. Figura Altere a cor da linha do mapa vetorial.

72 11 - O QGIS como interface gráfica alternativa 66 Figura Mapas raster e vetorial exibidos no QGIS. Por enquanto, apenas podemos visualizar os mapas do GRASS, mas a ferramentagrass Tools, que dá acesso à diversos comandos do GRASS a partir do QGIS, não está acessível. Para que esta ferramenta seja ativada, temos duas opções: iniciar o QGIS a partir do terminal do GRASS (simplesmente digite qgis no terminal) ou usar o comando Open Mapset do plugin e selecionar qual Mapset queremos acessar. Como já estamos trabalhando no QGIS, vamos usar a segund opção. Vá em Plugins GRASS Open Mapset e na janela que se abrir, selecione a Location SRTM e o Mapset apostila. Com isso o GRASS Tools deve ficar disponível. Abra o GRASS Tools (Fig. 11.6). Figura Janela do GRASS tools.

73 11 - O QGIS como interface gráfica alternativa 67 A janela do GRASS Tools tem duas abas: Modules e Browser. Na aba modules, temos acesso a vários comandos do GRASS, e na aba browser podemos navegar pela árvore de layers raster e vetoriais, visualizar as informações sobre cada layer (Figs e 11.8), incluílos na área de trabalho (Add selected map to canvas), apagá-los (permanentemente, cuidado!), renomeá-los ou definir os limites da region ativa de acordo com o layer desejado. Figura Mapas rasters disponíveis e propriedades. Figura Mapas vetoriais disponíveis e propriedades.

74 12 - Produzindo mapas para impressão Produzindo mapas para impressão O comando ps.map permite que criemos mapas complexos, que serão salvos em arquivos tipo postscript 14. As informações necessárias para construir o mapa (escala, grade de coordenadas, etc) são salvas em um arquivo de texto simples, o que permite que criemos vários mapas com exatamente o mesmo layout, apenas alterando o(s) layer(s) raster ou vetoriais desejados. Abaixo vemos um exemplo de um script simples para ps.map. O comando possui diversas opções, que podem ser consultadas na sua página de manual. Salve o texto abaixo em um arquivo texto e rode o comando ps.map, encontrado em File Create ps.map file for postscript printing (Fig. 12.1). O mapa produzido pode ser visualizado com o aplicativo Evince ou Ghostview, por exemplo (Fig. 12.2). rast srtm_filled vlines drenagem color blue width 0.1 end grid 5000 color black numbers 2 end colortable y raster srtm_filled range width 0.2 height 3.5 where color black nodata y end scale 1: paper a4 end end 14

75 12 - Produzindo mapas para impressão 69 Figura Janela do comando ps.map Figura Mapa visualizado no Evince

Geoprocessamento com Software Livre: GRASS-GIS e QGIS. Carlos Henrique Grohmann. guano@usp.br. Instituto de Geociências - USP

Geoprocessamento com Software Livre: GRASS-GIS e QGIS. Carlos Henrique Grohmann. guano@usp.br. Instituto de Geociências - USP Geoprocessamento com Software Livre: GRASS-GIS e QGIS Carlos Henrique Grohmann guano@usp.br Instituto de Geociências - USP São Paulo, 12 de outubro de 2012 Este documento não é parte da documentação oficial

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