GEOVISUALIZAÇÃO E SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA

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1 ISSN , p GEOVISUALIZAÇÃO E SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA MARCIO AUGUSTO REOLON SCHMIDT¹ PROF. DR. LUCIENE STAMATO DELAZARI² MARCO AURÉLIO DEBUS NADAL 3 1,2 Universidade Federal do Paraná - UFPR Caixa Postal CEP Curitiba - PR, Brasil 1 marcio.schmidt@gmail.com 2 luciene@ufpr.br 3 marco_nadal@yahoo.com.br RESUMO - SIG, cartografia e visualização científica computacional (ViSC) são disciplinas complementares. A ViSC pode ser conceituada como o uso de informática para explorar dados de forma visual e para experimentar mundos virtuais usando os caminhos sensoriais dos humanos, ou como o uso de gráficos computacionais como meio para adquirir um profundo entendimento sobre os dados. Dentro desse contexto o que é chamado de visualização científica, pode ser entendido como um conjunto de ferramentas, técnicas e sistemas especificamente desenvolvidos para gerar profundo conhecimento dos dados através da análise visual dos mesmos. O escopo da cartografia, por outro lado, não é limitado pela compatibilidade com informática, pois sua premissa de exploração é a visão humana preferivelmente, mas não necessariamente, assistida por computador. Nas aplicações SIG, o tipo de visualização não deve ser selecionado meramente baseado em tradição, mas criteriosamente de modo a potencializar o resultado da análise. Conseqüentemente, uma metodologia racional é exigida para desenho de visualizações. Essa metodologia passa pela elaboração consistente do Projeto Cartográfico e de um sistema que auxilie o usuário no momento da criação da visualização. Esse artigo procura mostrar o histórico da visualização científica (ViSC) e sua interação com ambientes SIG e visualização cartográfica. ABSTRACT - GIS, cartography and ViSC are complementary disciplines. ViSC can be defined as the use of computer science to explore data in visual way and to try virtual worlds using the sensorial ways of the human beings, or as the use of computer graphics to acquire a deep knowledge on the data. In this context what it is called scientific visualization can be understood as a set of tools, techniques and systems specifically developed to generate deep knowledge of the data through the visual analysis of the data. The target of the cartography, on the other hand, is not limited by the compatibility with computer science, therefore its premise of exploration is the vision human being ratherly, but not necessarily attended for computer. In the applications of SIG, the type of visualization it does not have to be selected based merely in tradition, but criteriosly in order to potencialize the result of the analysis. Consequently, a rational methodology is demanded for drawing visualizations in GIS. This methodology passes for the consistent elaboration of the Cartographic Project and a system that assists the user-producer at the moment of the creation of the visualization. 1. INTRODUÇÃO A Cartografia utiliza tradicionalmente a simbolização, mas até Bertin apresentar as diretrizes sistemáticas para simbolização na década de 1960, as regras seguidas pelos cartógrafos eram baseadas em convenções e experiência. O termo visualização passou então a ser adotado para representar o conjunto de técnicas usadas para transformar um determinado conjunto de dados em representações visuais. Porém, além das técnicas da cartografia desenvolvidas para meio analógico terem sido transportadas para o meio digital sem correções eventualmente necessárias, as potencialidades da geração de mapas em meio digital se expandiu muito nos últimos anos, acompanhando a rápida evolução da informática. Há alguma confusão entre o que é representação em SIG, o que é visualização cartográfica e o que é visualização científica. Apesar de complementares os temas são distintos e os diversos programas de computadores existentes no mercado e as abordagens científicas desenvolvidas tratam desses temas de modo bastante diferente. Especialmente no que se refere à escolha do tipo de visualização cartográfica em ambientes SIG ou uso de técnicas de cartografia em ambientes de visualização científica. Schmidt, M.A.R.; Delazari, L.S.; Nadal, M.A.D. 1

2 2. VISUALIZAÇÃO CIENTÍFICA E VISUALIZAÇÃO CARTOGRÁFICA Segundo Wood e Brodlie (1994), o termo visualização científica computacional apareceu pela primeira vez na publicação da National Science Foundation, em um relatório intitulado Visualization in Scientific Computing. A partir daí estudos sobre técnicas de visualização e aplicação de textura a imagens computacionais passaram a constituir um segmento de pesquisa chamado Visualization in Scientific Computing, ou simplesmente ViSC. Visvaligam (1994), afirma que ViSC pode ser conceituada segundo duas conotações diferentes. Primeira, o termo visualização representa o uso de informática para explorar dados de forma visual e para experimentar mundos virtuais usando os caminhos sensoriais dos humanos. Nessa conotação estão inseridas todas as possibilidades de exploração de ambientes virtuais, sons e animações, além de imagens bidimensionais e tridimensionais. Na segunda conotação, a atenção é focada no uso de gráficos computacionais como meio para adquirir um profundo entendimento sobre os dados. Apesar de restrita ao uso de imagens essa tem se mostrado a principal linha de pesquisa desde então. Para Wood e Brodlie (1994), em ciência e engenharia, a importância de representações gráficas de dados pode ser desde plotagem científica de dados até os domínios do que é agora conhecido como visualização em computação científica (ViSC). Dentro desse contexto o que é chamado de visualização científica (ViSC), pode ser entendido como um conjunto de ferramentas, técnicas e sistemas especificamente desenvolvidos para gerar profundo conhecimento dos dados através da análise visual dos dados. Visvaligam (1994) salienta os diferentes conceitos envolvidos nesse estudo: Visualisação 1 : é o processo mental que serve a vários propósitos incluindo a análise visual, ou seja, é parte do processo cognitivo; Visualização: é o processo que através das ferramentas converte dados brutos em uma imagem; ViSC: é a disciplina que desenvolve ferramentas, técnicas e sistemas para visualização assistida por computador; Representações visuais: se refere aos produtos, descrições pictóricas de imagens mentais, incluindo mapas, cartogramas, gráficos, etc. Por outro lado, quando se trata de visualização de dados espacialmente referenciados, as técnicas de visualização são descritas pela cartografia. Dentro da cartografia há muito tempo se busca sistematizar o 1 do inglês Visualisation segundo Visvalingam (1994), traduzido pelo autor. processo de comunicação cartográfica, de modo a entender como funciona esse processo. Porém foi em 1969 que Kolacny publicou um modelo descrevendo como se processa a criação e uso de mapas, apresentado na figura 1. Figura 1: Modelo de Kolacny (adaptado de Hallisey, 2005) O modelo de Kolacny apresenta o cartógrafo separado do mapa em tempo e espaço, conceituando o mundo real para produzir um mapa. O objetivo do cartógrafo era conseguir uma descrição fiel da realidade através de abstrações próprias. Além disso, a produção cartográfica seguia convenções do desenho de mapas que foram desenvolvidos através do tempo, muitas vezes por tentativa e erro e, às vezes, apoiada pela pesquisa científica em processos cognitivos humanos. Esse modelo se tornou o paradigma da cartografia, sempre procurando um mapa ótimo, ou seja, um mapa que atendesse plenamente todas as convenções em todas as aplicações para o qual pudesse ser usado sem perda do poder de comunicação da informação contida nesse mapa. Entretanto, mais recentemente os cartógrafos mudaram a ênfase do modelo de comunicação de mapas para o conceito de visualização cartográfica. Portanto, visualização cartográfica é a visualização científica realizada através de técnicas da cartografia para representar e amostrar dados espacialmente referenciados (Hallissey, 2005). Essa alteração de ênfase no modelo começou em 1992 quando MacEachren, Di Biase, Monmonier, e outros, definiram visualização como análise de mapas em forma analógica ou digital. Porém, em 1994, MacEachren revisou seu conceito de modo a estabelecer um modelo que hoje é bastante conhecido em cartografia analítica como cubo de uso de mapas. Nesse modelo existem três continua, ou domínios: o continuum da publicidade dos dados, variando de privado, onde indivíduos exploram dados espaciais, a público, onde uma grande quantidade de usuários pode usar o dado publicado; o continuum da exploração dos dados, no qual o foco é revelar o desconhecido, ao uso do mapa no qual o conhecido é apresentado; e o continuum do mapa variando de alta a baixa interação humana. Desse modo, visualização cartográfica é enfatizada quando mapas de alta interatividade humana ocorrem no domínio privado com objetivo de revelar o desconhecido, embora comunicação possa ocorrer. A consideração de que a comunicação possa acontecer quando o foco é visualização se deve ao fato que, apesar de se tratar de um cubo estático, o processo Schmidt, M.A.R.; Delazari, L.S.; Nadal, M.A.D. 2

3 do uso de mapas é dinâmico. No momento que a visualização sobre dados privados e desconhecidos é realizada, o usuário está tomando conhecimento dos padrões e relações internas dos dados. Então o processo deixa de ser meramente visualização e passa a se deslocar para outro ponto do cubo. Ainda, se o usuário passa a gerar produtos como, por exemplo, imagens estáticas para vinculação em periódicos ou internet então o uso se volta para a comunicação. E todo processo acontece repetidas vezes, de acordo com o tipo de abordagem que o usuário define. visualizações mais realísticas, através do aumento do uso de gráficos abstratos para representar a distribuição de fenômenos não visuais e para descrever processos. Nesse contexto, Van Elzakker (1999) afirma que para cada tipo de uso do mapa há uma visualização que seja mais eficiente. Essa afirmação é concorrente com Turk (1994) que propõe a necessidade de estratégias de escolha dos métodos de visualização. Van Elzakker propõe ainda um número mínimo de requisitos para um programa eficientemente realizar a visualização: 2.1. Integração Visualização Cartográfica, SIG e ViSC O objetivo da integração da visualização científica com sistemas de informação geográfica (SIG) é identificar aspectos de ViSC que possam aumentar a funcionalidade e eficiência do SIG de modo a satisfazer os diferentes tipos de análises para os quais os SIGs vêm sendo aplicados. Para Hallissey (2005), como ocorre tipicamente em SIG, a visualização cartográfica pode envolver exploração de um ou mais layers de dados geográficos. Usando técnicas de visualização cartográfica, o usuário pode determinar os seguintes tipos de informação: Onde uma feição específica ou atributo está localizada; O que está na localização específica; Como feições em um ou mais layers estão relacionadas; Se existem anomalias nos dados,e; Se existem vários momentos diferentes, é possível avaliar as mudanças através do tempo. O desenho de visualizações é, portanto, um aspecto crítico em SIG, especialmente quando essas imagens são criadas para serem empregadas em sistemas de suporte à decisão. Turk (1994) salienta que a cartografia é comumente identificada como uma aplicação da visualização científica quando, na verdade, a cartografia é a técnica fundamental de visualização que de modo particular é usada em muitas áreas da ciência. Portanto, a cartografia pode ser interpretada como não apenas previsto a moderna ViSC mas também tendo originado muitas das suas técnicas gráficas. Esse autor afirma, ainda, que o desenho de mapas, entretanto, é frequentemente mais complexo que a mera renderização de uma visualização de um objeto em ViSC. Isso envolve muito mais do que selecionar símbolos ou técnicas apropriados. Tradicionalmente no campo de SIG, a visualização apresenta uma tendência de uso restrito, geralmente associada com mapas convencionais e perspectivas tridimensionais do terreno ou superfícies estatísticas. Entretanto, visualizações cartográficas em sistemas de informação geográfica têm se tornado mais sofisticadas, bem como a tendência em se obter a) Funcionalidades multi-janelas Basicamente se trata da existência de várias janelas representando vários atributos do mesmo conjunto de dados. Tipicamente, nas abordagens construídas até o momento nos meios acadêmicos, essas janelas são divididas em dois grupos. O primeiro grupo é o da representação cartográfica tradicional, como mapas coropléticos ou de pontos proporcionais, e o segundo grupo é o de janelas com visualização estatística como data mining, gráficos de regressão linear e histogramas, como mostra a figura 3. Figura 2: Programa ESTAD, visualização multi-janelas (Robinson, 2005). Entretanto, mesmo havendo capacidade tecnológica, não se encontra um sistema multi-janelas capaz de oferecer ao usuário a possibilidade de usar diferentes tipos de representação cartográfica em um mesmo momento de análise; b) Variáveis visuais dinâmicas Esse tópico é bastante ligado com interatividade. Pode-se entender variáveis visuais dinâmicas como sendo a adaptação do comportamento das variáveis visuais presentes na representação as condições alteradas pelo usuário durante o processo de análise. Por exemplo, se o usuário alterar o valor mínimo de uma escala gráfica em uma representação coroplética, como a Figura 4 demonstra, todos os símbolos relativos à área da mudança proporcionalmente se alteram na representação. Schmidt, M.A.R.; Delazari, L.S.; Nadal, M.A.D. 3

4 Figura 3: alteração dinâmica de variável visual (Andrienko e Andrienko,2005). c) Sistema cartográfico especialista Esse é um ponto crítico na criação de programas de geovisualização. O sistema cartográfico para mapas topográficos é bem definido e segue as regras definidas pelo agente nacional de cartografia, no Brasil IBGE e DSG do exército. Entretanto, criar um sistema especialista para criação de mapas temáticos é tarefa bastante complicada. O foco do mapa e o público a que se destina esse mapa definem quais elementos e como serão representados. Ainda que exista a teoria de linguagem cartográfica e projeto cartográfico temático, a implementação de um sistema especialista é bastante difícil. d) Comparações espaciais As comparações espaciais ocorrem com possibilidade de comparar padrões e distribuições espaciais de diferentes fenômenos, ou seja, visualizar diferentes mapas justapostos ou próximos. Esse procedimento é chamado de álgebra de mapas, e é implementado em muitos SIG, sendo, portanto, um tema bem definido; e) Funcionalidades de SIG São as funcionalidades comuns a todos os sistemas de informação geográfica. Entre elas estão ferramentas de pesquisas a banco de dados e pesquisa posicional entre feições, medições de áreas e distâncias, áreas de influência (buffer) e projeções cartográficas; f) Generalização Para o caso de programas de visualização científica, a generalização difere um pouco da visão tradicional no que se refere à área a ser generalizada. Na visão tradicional os mapas são generalizados a partir de um mapa base para o mapa final, ou destino, criando-se mapas em escalas intermediárias e, eventualmente, sendo todos armazenados em bancos de dados. No caso de programas de geovisualização se entende que generalização deva acontecer somente na área da janela (extend) que o usuário trabalha no momento e de forma dinâmica, ou seja, a generalização ocorreria somente na visualização e não nos dados. Dessa forma, quando usuário utilizasse ferramentas de zoom para diminuir a escala, a generalização resultaria em um mapa com elementos generalizados (menor número de elementos e elementos mais simples). Quando o usuário utilizasse a ferramenta de zoom para aumentar a escala, os elementos da representação teriam mais detalhes e um número maior deles estaria presente na representação. g) Meta dados São dados não espaciais relacionados à informação contida no arquivo. Por exemplo, pode-se citar escala, data de aquisição dos dados, Datum, executor e quaisquer outras informações sobre os dados que não tem necessidade de representação mas que asseguram qualidade das informações; h) Modelagem espacial Esse aspecto se relaciona com os modelos conceituais a serem aplicados sobre os dados. Geralmente os programas têm algoritmos bem desenvolvidos para garantir qualidade e rapidez na aplicação e análise desses dados dentro desses modelos. Modeladores de terreno, de volume, de atmosfera, de superfícies matemáticas são exemplos de programas que realizam a modelagem espacial. Entretanto, se um usuário desenvolve alguma análise bastante específica, o programa deve ser capaz de permitir a inserção de parâmetros que permitam a realização de testes com o modelo do usuário. i) Interface gráfica interativa Um ponto importante é a criação de interfaces que priorizem a interação humano computador (IHC), de modo que a potencializar a imersão do usuário no processo de pesquisa. Essa interface compreende botões e acesso a ferramentas de modo mnemônico, possibilitando ao usuário fácil aprendizado do uso do programa e evitando desviar a atenção da pesquisa; j) Capacidade edição via imagem Alguns dos programas de SIG atualmente já oferecem essa possibilidade. É possível ao usuário manipular a representação de uma feição, forma por exemplo, e essa alteração automaticamente se reflete no banco de dados. Uma questão importante apontada por Van Elzakker é saber se existe algum programa que desenvolva todas essas considerações. 3. CONCLUSÕES E DISCUSSÕES Das pesquisas realizadas para esse artigo, até o momento os programas existentes tanto em meio acadêmico como comercial não abordam todos os critérios propostos por Van Elzakker. Em programas como BOZ, VISTA, IRIS, ArcGIS, GRASS, entre outros, pesquisados através de artigos e tutoriais, generalização cartográfica e sistema cartográfico Schmidt, M.A.R.; Delazari, L.S.; Nadal, M. A. D. 4

5 especialista não são abordados. Enquanto a generalização cartográfica, tem seu principal problema na definição clara de regras subjetivas e como fazer a implementação em meios computacionais de modo eficiente, o sistema cartográfico especialista apresenta maiores chances de realização. No âmbito de sistemas cartográficos especialistas, a teoria de comunicação cartográfica e projeto cartográfico temático são bem conhecidos de acordo com as pesquisas existentes. São usados pela cartografia por muito tempo e os tipos de produtos resultantes, os diferentes tipos de mapas e classificações, foram simplesmente adaptados na criação de visualizações em SIG. Porém, quando os SIG são utilizados por usuários não especialistas abrese uma lacuna na produção de mapas através desses programas por não haver um mecanismo de auxílio e orientação ao usuário-produtor no que se refere ao projeto cartográfico. Nota-se a necessidade de um sistema especialista que envolva esses conceitos e que trabalhe embutido nos SIG. Turk (1994) afirma que mesmo que programas de ViSC possam oferecer um salto quântico em sofisticação de ferramentas, mapas tradicionais continuam provendo conhecimento científico de grande valor, pois antes da era computacional esses mapas eram o que havia de mais sofisticado. Mais importante, entretanto, é que o desenvolvimento de bancos de dados integrados a multimídia e ViSC estão se dirigindo para expandir mais e mais o poder da cartografia. SIG, cartografia e ViSC são disciplinas complementares. Enquanto SIG e ViSC tem se tornado objetivos para pesquisas em tecnologia computacional, o escopo da cartografia, por outro lado, não é limitado pela compatibilidade com informática, pois sua premissa de exploração é a visão humana preferivelmente, mas não necessariamente, assistida por computador. Ainda, no domínio das aplicações SIG o potencial para sistemas produzirem gráficos melhorados tem forçado a habilidade dos projetistas de sistema e usuários a entender quais visualizações são mais apropriadas para os objetivos particulares. Logo, o tipo de visualização não deve ser selecionado meramente baseado em tradição, mas criteriosamente de modo a potencializar o resultado da análise. Conseqüentemente, uma metodologia racional é exigida para desenho de visualizações SIG. 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANDRIENKO, G. L. & ANDRIENKO, N. V. Intelligent Visualization and Dynamic Instruments to Support Data Exploration with GIS. Proceedings of the working conference on Advanced visual interfaces. L'Aquila, Italia < acesso em: 06 de novembro de ISBN: ANDRIENKO, G. L. & ANDRIENKO, N. V. Interactive maps for visual data exploration. International Journal Geographic Information Science, vol 13, No 4, 1999, pp ANDRIENKO, G. L. & ANDRIENKO, N. V.IRIS: a intelligent Visual Exploration of Spatially Reference Data. Conference on Human Factors in Computing Systems - CHI '97. Atlanta, Georgia, USA < acesso em: 09 de outubro de 2006, ISBN: ANDRIENKO, G. L. & ANDRIENKO, N. V.Tutorial Presenters: FHG AIS (Fraunhofer Institute for Autonomous Intelligent Systems) ISESS conference, Sesimbra Portugal, , acessado em < acesso em: 09 de outubro de 06. DELAZARI, L. S. Modelagem e implementação de um Atlas Eletrônico Interativo utilizando métodos de visualização cartográfica. São Paulo, p tese de doutorado na Escola politécnica da universidade de São Paulo Departamento de Engenharia de Transportes. DOMIK, G Computer Graphics, Visualization and Image Processing. Palestra de ViSC. <wwwcs.uni-paderborn.de> acesso em 16 de outubro de HALLISEY, E. J.. Cartographic Visualization: Na Assessment and Epistemological Review. The Professional Geographer. Volume 57, Issue 3, Page , Aug acessado em < acesso em: agosto de doi: /j x ROBBI, C. Sistema para visualização de informações cartográficas para planejamento urbano / C. Robbi São José dos Campos. INPE, 2000 tese de doutorado em ciência da computação. ROBINSON, A. C. Geovisualization and epidemiology: a general design framework. XXII International Cartographic Conference (ICC2005). La Coruña, Spain, July Publicado por The International Cartographic Association (ICA-ACI). ISBN: Global Congresos. VAN ELZAKKER, P.J.M. C. Thinking aloud about exploratory cartography. In: C.P. Keller (ed.), Touch the Past, Visualize the Future. Proceedings 19th International Cartographic Conference, Ottawa, Schmidt, M.A.R.; Delazari, L.S.; Nadal, M.A.D. 5

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