EngEnhArIA CaRToGRáFiCa Cartografia I 2º ano. Introdução aos Sistemas de Informações Geográficas - Parte I

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1 EngEnhArIA CaRToGRáFiCa Cartografia I 2º ano Introdução aos Sistemas de Informações Geográficas - Parte I Prof. João Fernando Custodio da Silva Mariana Dias Chaves

2 Gilberto Câmara ALVES, W. P. Fundamentos de bancos de dados. Érika. São Paulo, 2004 p Base Athena: A482f. SILVA, A. B. Sistema de informações georreferenciadas. Campinas: Ed. UNICAMP, 1999.Base Athena: S578s e.2

3 Conteúdo da aula Parte I Introdução História Conceitos Estrutura de Dados Sistema de Banco de Dados (SBD) Parte II MNT e TIN

4 Introdução Visão geral Conceitos de SIG e Geoprocessamento

5 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD GIS Geographic Information System SIG Sistema Informação Geográfica

6 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD A coleta das informações sobre a distribuição geográfica de recursos minerais, propriedades, animais e plantas sempre foi uma parte importante das atividades das sociedades organizadas. Com a tecnologia Documentos e mapas em papel Armazenar e representar tais informações em ambiente computacional - aparecimento do geoprocessamento

7 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Geoprocessamento é o conjunto de ferramentas que utilizam representações computacionais do espaço geográfico para modelar e analisar fenômenos espaço-temporais. Ferramentas => software, operação sobre os dados e outros elementos Representação computacional do espaço geográfico => dados Modelagem => modelo, molde, forma, modo de representar Análise => decomposição do todo, estudo das partes Síntese => recomposição do todo, a partir das partes analisadas SIG é o sistema que materializa os conceitos do geoprocessamento Sistema: conjunto organizado de coisas ou partes que formam um todo complexo ou unitário.

8 História Origem Institucional Primeiros passos tecnológicos Início da modelagem matemática Primeiros sinais do crescimento SIG no Brasil O INPE e o SIG

9 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Origem institucional Anos 60: surgem os primeiros SIGs, no Canadá Roger Tomlinson (Pai do SIG). Parte de programa governamental para criar inventário de recursos naturais. Eram muito difíceis de usar: não existiam monitores gráficos de alta resolução os computadores necessários eram muito grandes e caros armazenamento e velocidade de processamento baixas (main frames) a mão de obra rara e cara não existiam soluções comerciais prontas para uso interessado desenvolvia os próprios programas (tempo e dinheiro)

10 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Primeiros passos tecnológicos Anos 70 (mini computadores): novos recursos de hardware - desenvolvimento de sistemas comerciais. criada expressão Geographic Information System (GIS). sistemas comerciais de CAD (Computer Aided Design, ou projeto assistido por computador). melhoraram as condições para a produção de desenhos e plantas para engenharia. serviram de base para os primeiros sistemas de cartografia automatizada.

11 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Início da modelagem matemática Anos 70: fundamentos matemáticos voltados para a cartografia, incluindo questões de geometria computacional. Devido aos custos e a que estes proto-sistemas ainda utilizarem exclusivamente computadores de grande porte, apenas grandes organizações tinham acesso à tecnologia.

12 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Primeiros sinais do crescimento Anos 80: período que a tecnologia SIG acelera o crescimento que dura até os dias de hoje. Até então, limitados pelo alto custo do hardware e pela pouca quantidade de pesquisa específica sobre o tema, os SIGs se beneficiaram do avanço e massificação da microinformática e da criação de centros de estudos sobre o assunto. Anos 90: Processador Intel 32 bits (1992). Com ele os programadores puderam fazer amplo endereçamento da memória e as imagens raster puderam ser processadas e analisadas por inteiro. Anos 2000 e seguinte: Processador 64 bits.

13 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD SIG no Brasil Início dos anos 80: a partir do esforço de divulgação e formação de pessoal feito pelo Prof. Jorge Xavier da Silva (UFRJ). 1982: vinda ao Brasil de Roger Tomlinson, responsável pela criação do primeiro SIG (o Canadian Geographical Information System), incentivou o aparecimento de vários grupos interessados em desenvolver tecnologia.

14 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD O INPE e o SIG 1994: O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), estabeleceu um grupo específico para o desenvolvimento de tecnologia de geoprocessamento e sensoriamento remoto (a Divisão de Processamento de Imagens - DPI). De 1984 a 1990: a DPI desenvolveu o SITIM (Sistema de Tratamento de Imagens) e o SGI (Sistema Geográfico de Informações) A partir de 1991: o SPRING (Sistema para Processamento de Informações Geográficas).

15 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD O SPRING unificou o tratamento de imagens de SR (ópticas e microondas), mapas temáticos, mapas cadastrais, redes e modelos numéricos de terreno. A partir de 1997, o SPRING passou a ser distribuído gratuitamente na Internet.

16 Conceitos Conceito de SIG Informação Sistema Dado geográfico Estrutura Elementos Limites da representação

17 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Construindo o conceito de SIG Uma vez um prefeito fez a seguinte pergunta: - Por que investir em Cartografia e implantar um SIG se todas as informações da cidade já estão no Google Earth? O que você responderia? Não adianta ter acesso a um grande conjunto de informações se elas não estão organizadas de forma a otimizar os processos da instituição... E em muitos casos não estão visíveis.

18 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Informação Qual é a diferença de Dado e Informação? Dado: Conjunto de valores numéricos ou não que corresponde à descrição de fatos do mundo real. Informação: Conjunto de dados que possui um determinado significado para um uso ou aplicação em particular. É agregado ao dado um componente adicional : a interpretação.

19 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Conceito de sistema: Grandes quantidades de dados e informações não geram necessariamente conhecimento. É preciso também um projeto, uma ideia de organização e integração das informações sob uma estratégia e um sistema, e é igualmente necessária a aplicação do trabalho humano sobre elas para se chegar ao conhecimento (produto desejado).

20 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Dados de terreno Dados de imagens Hardwares e softwares Pessoal

21 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Informação x Decisão x Ação Toda ação depende de uma decisão, que depende de informação. As tecnologias do geoprocessamento são ferramentas fundamentais para o suporte no processo de tomada de decisão.

22 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Quando um dado é geográfico? Quando possui como um de seus atributos ou propriedades intrínsecas, a componente posicional em relação ao referencial geográfico ou espacial considerado.

23 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Estrutura de um SIG: PESSOAS HARDWARE SOFTWARE DADOS MÉTODOS

24 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Elementos de um SIG: FEIÇÕES: entidades; abstrações da realidade ATRIBUTOS: dados, características FUNÇÕES: processos modificadores dos atributos RELAÇÕES: entre feições; topologia

25 Representação Espacial

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31 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Limites da representação Limites da atual geração de SIG Modelos estáticos da realidade Desafio para os SIGs Transformar sistemas estáticos em ferramentas de modelagem dos processos espaços-temporais (dinâmicos) Dificuldades Mundo real x representação computacional Modelos realistas de processos físicos e socioeconômicos Visualização x apresentação espaço-temporal

32 Estruturas de dados Estruturas vetoriais Estruturas matriciais Comparação de formatos Conversão de formatos

33 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

34 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD A estrutura dos dados remete a diferentes maneiras de armazenamento e representação dos mesmos: Vetorial Ponto Linha Área/Polígono Rede Matricial Células

35 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Estruturas Vetoriais Representação vetorial: associar coordenadas 2D às feições geográficas.

36 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Estrutura de dados Vetoriais Pontos Linhas Polígonos

37 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Estrutura de uma matriz Célula Resolução

38 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Comparando formatos Matriz: maior variação de dados e bordas menos precisas. Falta de dados é facilmente identificada.

39 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Conversão entre modelos vetoriais e matriciais SIG realiza a conversão. Alguns problemas esperados: Vetor matriz: perde a precisão do vetor Matriz vetor: perde a variação dos dados Matriz vetor (polígonos): distorções nas bordas

40 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Matriz Vetor Cada formato tem capacidades únicas e também limitações. Um formato não é melhor que o outro. Formatos apropriados para diferentes tipos de análise. Deve-se usar ambos formatos quando apropriado.

41 SBD Banco de dados Banco de dados convencionais SBD Componentes

42 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD

43 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Banco de dados Conjunto ou coleção de dados inter-relacionados de um determinado domínio. Podemos compreender como dados os objetos conhecidos que podem ser armazenados e que possuem um significado implícito. Ex.: banco de dados geográficos (BDG)

44 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Banco de dados Características: Pode ser atualizado manualmente ou de maneira automática via computador. Ex.: livros que estão disponíveis na biblioteca. Os dados têm um propósito específico.

45 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Bancos de Dados Convencionais Características: Vários arquivos, diferentes programas para recuperar informações Desvantagens: Redundância e inconsistência de dados Dificuldade de acessar informação (programa pode não estar disponível) Anomalias de acesso concorrente (multiusuários) Problemas de segurança e integridade Isolamento de dados

46 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Por que estudar Sistemas de Banco de Dados (SBD)? SBD gerencia os dados geográficos contidos no SIG. SBD tradicionais foram estendidos para dar suporte aos dados espaciais.

47 Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD Componentes de um SBD: DADOS HARDWARE SOFTWARE USUÁRIOS

48 Resumo da Parte I Introdução GIS/SIG e Geoprocessamento História Origem do SIG e SIG no Brasil Conceitos SIG e o Conhecimento Estrutura de dados: matriz e vetores Importância dos SBDs

49 Conclusão I SIG é sistema baseado na interação software, hardware, pessoas e informações espaciais (geográficas) com o propósito de criar, editar, pesquisar, analisar e apresentar as informações geográficas.

50 EngEnhArIA CaRToGRáFiCa Cartografia I 2º ano Introdução aos Sistemas de Informações Geográficas - Parte II Prof. João Fernando Custodio da Silva Mariana Dias Chaves

51 Conteúdo da aula Introdução Dados cotados e isolinhas Estrutura de Dados: representação de MNT Processo de modelagem TIN

52 Estrutura de Dados: representação de MNT As estruturas vetoriais são utilizadas em três tipos de representação: Conjunto de amostras de pares ordenados (x,y,z), onde (x,y) e uma localização no plano e z um valor numérico de atributo (no caso, altitude). Conjunto de isolinhas (curvas de nível) TIN (Triangular Irregular Network): malha/rede/grade de triângulos irregulares ou malha irregular triangular

53 Estrutura de Dados: representação de MNT Modelo Numérico de Terreno (MNT) Um MNT descreve (discretiza) a variação espacial contínua de uma grandeza (altitude) de uma região. Um modo de representação tridimensional do terreno. MNT = MDT = DTM

54 Estrutura de Dados: representação de MNT Realidade (relevo é contínuo: infinitos pontos) Amostragem Dados de entrada Pontos 3D Isolinhas Modelagem (MNT) Criação de estruturas (grades) Regulares Irregulares (TIN) Aplicação Projeção Imagens Contornos Volumes...

55 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN

56 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN a) pontos cotados b) isolinhas

57 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Geração de modelos 2 etapas 1. Aquisição dos elementos da amostra ou amostragem 2. Geração do modelo por triangulação ou interpolação Grade irregular (TIN) Grade regular Após a geração do modelo, diversas aplicações podem ser feitas.

58 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Grade regular elemento com espaçamento fixo (regular). Grade irregular (TIN) conexão entre amostras (pontos)

59 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Grade regular Grade irregular Pontos da amostra Pontos da grade

60 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Geração de modelos 2 etapas 1. Aquisição dos elementos da amostra ou amostragem 2. Geração do modelo por triangulação ou interpolação Grade irregular (TIN) Grade regular Após a geração do modelo, diversas aplicações podem ser feitas.

61 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN - Malha regular interpolação (método do vizinho mais próximo) - Malhar irregular triangulação (Delaunay)

62 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN INTERPOLAÇÃO Operação pela qual, conhecidos os valores de uma função correspondentes a certos valores da variável, se determinam os que correspondem a outros valores da mesma variável. A interpolação pode ser feita a partir de pontos, linhas e polígonos.

63 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Interpolação a partir de pontos: Vizinho mais próximo Média simples

64 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Exemplo: estações de medida de temperatura ( C) Como estimar o valor para a estação que não possui valor disponível?

65 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Método de Interpolação Vizinho mais próximo: Usando o valor do ponto mais próximo.

66 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Método de Interpolação Média simples : Usando o valor da média de todos os pontos.

67 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Utilidades da interpolação: Transformar dados vetoriais em matriciais Modificar detalhes de imagens vetoriais para comparação de mapas Auxiliar no processo de decisão espacial

68 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Malha Triangular Irregular (TIN) Uma rede de triângulos irregulares é formada pela conexão dos elementos do conjunto amostral. A rigor existem variadas possibilidades de produzir uma malha com um grande conjunto de pontos. Nesse caso a superfície produzida não necessita de interpolação de valores observados.

69 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Triangulação de Delaunay Critério: maximização dos ângulos mínimos Esse critério equivale a geração de triângulos mais aproximados de equiláteros. Com esse critério é possível reduzir para uma menor combinação possível de triângulos. Evita ângulos afinados.

70 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Transformação da triangulação de Delaunay, de (a) para (b), para manter as características topográficas da superfície.

71 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Restrições 1. Podem ser incluídas linhas que representam máximos ou mínimos da superfície. 2. Relevo topográfico é caracterizado por divisores de água onde pode ocorrer uma linha de máximo e drenagem que caracterizem valores mínimos. A triangulação é feita a partir dessas linhas

72 Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN Evitando problema de criação de patamares: (a) Triangulação de Delaunay e (b) Triangulação com restrição.

73 CARACTERÍSTICAS GRADE Regularidade na distribuição espacial dos vértices Como os vértices são estimados REGULAR Sim Retângulos: a partir das amostras (interpolação) IRREGULAR (TIN) Não Triângulos: pertencem ao conjunto amostral Representação de superfícies com grandes variações locais Apresenta problemas Apresenta boa solução Estrutura de dados Simples Complexa Aplicação Qualitativas Quantitativas

74 Realidade Amostragem Dados de entrada Pontos 3D Isolinhas Modelagem (MNT) Criação de estruturas (grades) Regulares Irregulares (TIN) Aplicação Projeção Imagens Contornos Volumes...

75 Resumo da aula Processo de modelagem MNT TIN Comparação entre as grades regular e irregular (TIN) Um exemplo muito simples de análise de relevo em ambiente SIG.... E fim do curso de Cartografia I