GEOPROCESSAMENTO. Conteudista Isabela Habib Canaan da Silva. Rio de Janeiro / Todos os direitos reservados à. Universidade Castelo Branco

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1 VICE-REITORIA DE ENSINO DE GRADUAÇÃO E CORPO DISCENTE CENTRO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA GEOPROCESSAMENTO Conteudista Isabela Habib Canaan da Silva Rio de Janeiro / 2011 Todos os direitos reservados à Universidade Castelo Branco

2 UNIVERSIDADE CASTELO BRANCO Todos os direitos reservados à Universidade Castelo Branco - UCB Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida, armazenada ou transmitida de qualquer forma ou por quaisquer meios - eletrônico, mecânico, fotocópia ou gravação, sem autorização da Universidade Castelo Branco - UCB. Un3g Universidade Castelo Branco Geoprocessamento / Universidade Castelo Branco. Rio de Janeiro: UCB, p.: il. ISBN Ensino a Distância. 2. Título. CDD Universidade Castelo Branco - UCB Avenida Santa Cruz, Rio de Janeiro - RJ Tel. (21) Fax (21)

3 Apresentação Prezado(a) Aluno(a): É com grande satisfação que o(a) recebemos como integrante do corpo discente de nossos cursos de graduação, na certeza de estarmos contribuindo para sua formação acadêmica e, consequentemente, propiciando oportunidade para melhoria de seu desempenho profissional. Nossos funcionários e nosso corpo docente esperam retribuir a sua escolha, reafirmando o compromisso desta Instituição com a qualidade, por meio de uma estrutura aberta e criativa, centrada nos princípios de melhoria contínua. Esperamos que este instrucional seja-lhe de grande ajuda e contribua para ampliar o horizonte do seu conhecimento teórico e para o aperfeiçoamento da sua prática pedagógica. Seja bem-vindo(a)! Paulo Alcantara Gomes Reitor

4 Orientações para o Autoestudo O presente instrucional está dividido em três unidades programáticas, cada uma com objetivos definidos e conteúdos selecionados criteriosamente pelos Professores Conteudistas para que os referidos objetivos sejam atingidos com êxito. Os conteúdos programáticos das unidades são apresentados sob a forma de leituras, tarefas e atividades complementares. As Unidades 1 e 2 correspondem aos conteúdos que serão avaliados em A1. Na A2 poderão ser objeto de avaliação os conteúdos das três unidades. Havendo a necessidade de uma avaliação extra (A3 ou A4), esta obrigatoriamente será composta por todo o conteúdo de todas as Unidades Programáticas. A carga horária do material instrucional para o autoestudo que você está recebendo agora, juntamente com os horários destinados aos encontros com o Professor Orientador da disciplina, equivale a 60 horas-aula, que você administrará de acordo com a sua disponibilidade, respeitando-se, naturalmente, as datas dos encontros presenciais programados pelo Professor Orientador e as datas das avaliações do seu curso. Bons Estudos!

5 Dicas para o Autoestudo 1 - Você terá total autonomia para escolher a melhor hora para estudar. Porém, seja disciplinado. Procure reservar sempre os mesmos horários para o estudo. 2 - Organize seu ambiente de estudo. Reserve todo o material necessário. Evite interrupções. 3 - Não deixe para estudar na última hora. 4 - Não acumule dúvidas. Anote-as e entre em contato com seu monitor. 5 - Não pule etapas. 6 - Faça todas as tarefas propostas. 7 - Não falte aos encontros presenciais. Eles são importantes para o melhor aproveitamento da disciplina. 8 - Não relegue a um segundo plano as atividades complementares e a autoavaliação. 9 - Não hesite em começar de novo.

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7 SUMÁRIO Quadro-síntese do conteúdo programático Contextualização da disciplina UNIDADE I SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS Geoprocessamento e SIG: considerações iniciais Componentes do SIG Diferenças entre os sitemas SIG e CAD Tipos e características de dados geográficos Dados gráficos Dados não gráficos Estrutura de representação dos dados geográficos Armazenamento de dados dm SIG Mapas Tipos de dados em análise espacial Aplicações da análise espacial UNIDADE II SENSORIAMENTO REMOTO Considerações iniciais Conceitos e fundamentos Sistemas sensores Comportamento espectral de alvos A Imagem digital Principais características das imagens de sensoriamento remoto Interpretação visual de dados Processamento digital de imagens Aplicações UNIDADE III SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL GPS Considerações iniciais Informações gerais Tipos de posicionamento Fatores que influenciam a precisão das coordenadas Tipos de equipamentos Métodos de medição... 38

8 3.7 - Aplicações do GPS Vantagens e limitações do GPS Outros sistemas de posicionamento Glossário Gabarito Referências bibliográficas... 46

9 Quadro-síntese do conteúdo programático 9 UNIDADES DO PROGRAMA OBJETIVOS I - SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS Geoprocessamento e SIG: considerações iniciais Componentes do SIG Diferenças entre os sitemas SIG e CAD Tipos e características de dados geográficos Dados gráficos Dados não gráficos Estrutura de representação dos dados geográficos Armazenamento de dados dm SIG Mapas Tipos de dados em análise espacial Aplicações da análise espacial Apresentar e discutir os fundamentos de geoprocessamento e os principais conceitos de sistemas de informações geográficas; Apresentar os componentes do SIG, as diferenças entre o sistema SIG e o CAD, os dados geográficos e seus desdobramentos; Mostrar exemplos de mapas e aplicações da análise espacial. II - SENSORIAMENTO REMOTO Considerações iniciais Conceitos e fundamentos Sistemas sensores Comportamento espectral de alvos A imagem digital Principais características das imagens de sensoriamento remoto Interpretação visual de dados Processamento digital de imagens Aplicações Apresentar os principais conceitos e fundamentos de sensoriamento remoto; Discutir os diferentes tipos de sistemas sensores; Tratar o comportamento espectral dos alvos com os exemplos mais comuns; Apresentar a imagem digital e as técnicas aplicadas para seu processamento; Discutir algumas aplicações de sensoriamento remoto. III - SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL GPS Considerações iniciais Informações gerais Tipos de posicionamento Fatores que influenciam a precisão das coordenadas Tipos de equipamentos Métodos de medição Aplicações do GPS Vantagens e limitações do GPS Outros sistemas de posicionamento Apresentar as informações gerais sobre o funcionamento do sistema GPS; Discutir os tipos de posicionamento e medição e discutir os fatores que influenciam na precisão das medições; Apresentar os tipos de equipamentos e mostrar algumas aplicações.

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11 Contextualização da Disciplina 11 A geografia tem absorvido continuamente ferramentas geotecnológicas para contribuir em análises espaciais. Dentre as ferramentas mais utilizadas para o mapeamento e reconhecimento do espaço geográfico estão o geoprocessamento e o sensoriamento remoto. O geoprocessamento utiliza técnicas matemáticas e computacionais para o tratamento da informação geográfica. Através das ferramentas computacionais chamadas de Sistemas de Informação Geográfica (SIG), permite a análise espacial. Já o sensoriamento remoto é a tecnologia que permite a obtenção de dados da superfície terrestre por meio do registro da energia refletida ou emitida pela superfície e captada por satélite ou outro tipo de sensor. Outra tecnologia é o sistema de posicionamento global (GPS) que foi desenvolvido pelo departamento de defesa americano durante o período de guerra fria e atualmente é amplamente usado por civis em todo o mundo para localização espacial. No contexto atual, é fundamental que os estudantes de geografia tenham uma visão geral dos principais conceitos de geoprocessamento e apropriem-se dos conhecimentos teóricos necessários para o gerenciamento de informações espaciais. Assim poderão analisar com mais precisão o espaço geográfico e também utilizar tais ferramentas como recurso didático. Este instrucional aborda sistemas de informações geográficas, sensoriamento remoto e sistema de posicionamento global dentro de uma perspectiva objetiva e didática, estando dividido em três unidades para facilitar a leitura. O conteúdo foi balanceado para atender aos iniciantes na ciência da geoinformação.

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13 UNIDADE I 13 SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS Geoprocessamento e SIG: Considerações Iniciais A coleta de informações sobre diversos temas como a distribuição geográfica de recursos minerais, animais e plantas sempre foi uma parte importante das atividades das sociedades organizadas. Até recentemente, isto era feito apenas em documentos e mapas em papel, o que impedia uma análise que combinasse diversos dados distintos. Com o desenvolvimento da informática, tornou-se possível armazenar e representar tais informações em ambiente computacional, abrindo espaço para o surgimento do Geoprocessamento. Nesse contexto, o termo Geoprocessamento denota a disciplina do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para o tratamento da informação geográfica. As ferramentas computacionais para Geoprocessamento, chamadas de Sistemas de Informação Geográfica (SIG), permitem realizar análises complexas ao integrar dados de diversas fontes e ao criar bancos de dados georreferenciados. A partir de meados da década de 1980, os sistemas de informações geográficas (SIGs) se tornaram uma ferramenta valiosa para as diversas áreas do conhecimento que lidam com dados e informações georreferenciadas (ou seja, que possuem posicionamento definido no espaço cartográfico). O SIG é a tecnologia motora do geoprocessamento, que, de maneira geral, compreende atividades de aquisição, armazenamento, tratamento, análise e interpretação de dados geográficos georreferenciados. Tais procedimentos são fundamentais para o uso de informações relacionadas ao espaço físico, seus cruzamentos, análises e produtos. Diversas definições são encontradas na literatura. Existem algumas mais genéricas, como a de Bonham- Carter (1998), que considera o SIG como um sistema computacional para gerenciar dados; e outras mais específicas, como a de Burrough & McDoNnell (1998), que reporta como um conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e exibir dados espaciais do mundo real. Assim, os objetos e fenômenos do mundo real são representados no SIG por dados e informações de cunho geográfico. Uma das vantagens dos SIG reside na sua capacidade de manipular dados gráficos e não gráficos de forma integrada, promovendo uma maneira consistente para análise e consulta. Os dados gráficos são aqueles que se referem à localização geográfica dos objetos e os dados não gráficos são seus atributos, pois descrevem os fenômenos a estes associados passíveis de representação em mapas. Um SIG pode ser dividido em cinco componentes interativos: pessoas, dados, métodos, programas de computador e equipamentos de informática. As pessoas representam o componente principal, visto que estruturam a base de dados, planejam e executam o desenvolvimento do projeto. Os dados são armazenados e organizados no SIG, em geral apresentando componentes gráficos e textuais. O método corresponde aos processos que se articulam em todas as etapas do projeto com a finalidade de alcançar seus objetivos. Os programas de computador incorporam as ferramentas de geoprocessamento e são utilizados de acordo com as demandas do trabalho em execução Componentes do SIG Recursos Humanos É o componente mais importante de um SIG. É constituído de técnicos que usam a tecnologia do Geoprocessamento para dar suporte à tomada de decisão nas atividades do dia a dia e nos projetos de desenvolvimento. O técnico/usuário deverá usar as informações, buscar soluções, simular problemas, criar protótipos de projetos, gerar informações, conhecer o mundo real no ambiente de sua atuação. Metodologias Consistem do conjunto de procedimentos que devem ser estabelecidos e executados durante o desenvolvimento do projeto.

14 14 Hardware São os equipamentos que constituem a plataforma computacional (computadores e periféricos de entrada e de saída) definida para o projeto, além de câmeras digitais, instrumentos topográficos eletrônicos, GPS, dentre outros. Ligada à plataforma computacional, encontram-se os periféricos de entrada, armazenamento, exibição e saída. Entre os de entrada estão: scanner, digitalizadores e teclado. Os principais periféricos de saída são: plotter e impressora. Software Os Softwares de SIG são softwares específicos para o tratamento e manipulação dos dados espaciais. São exemplos deste tipo de software o ArcGIS, o IDRISI, o SPRING, dentre outros. Os componentes de software consistem dos módulos de manipulação da informação, que interligam os periféricos do hardware, permitindo que sejam realizadas as operações que o sistema se propõe a fazer. Em uma aula de geografia, por exemplo, pode-se mostrar aos alunos o mapa de bairros da cidade onde moram e fazer diversos exercícios utilizando operações estatísticas com dados de população. As operações como densidade demográfica e relação entre sexo e idade são calculadas na tabela de atributos e visualizadas no mapa. Basicamente são definidos os seguintes módulos: - entrada de dados: A entrada de dados cobre todos os aspectos de transformação dos dados, captados na forma de mapas, dados tabulares, observações de campo, dados oriundos de outras bases digitais e sensores remotos (fotos aéreas, imagens de satélites e outros instrumentos de registro), para uma forma digital compatível e reconhecida pelo sistema. - armazenamento e gerenciamento da base de dados: O armazenamento e o gerenciamento da base de dados têm por finalidade estruturar e organizar os dados de acordo com a posição geográfica e atributos das informações geográficas. - interação: Os módulos de interação caracterizam a forma como o usuário se comunica com o sistema, realizando as suas consultas e apresentando as suas necessidades, para a geração de novas informações. - transformação: Os módulos de transformação possuem duas funções: correção dos dados e aplicação dos métodos de análise sobre os dados, para a solução das consultas a que serão submetidos. Os processos de transformação podem ser aplicados sobre regiões espaciais ou não espaciais dos dados, conjuntamente ou não. Podem envolver operações de alteração de escala, projeção, cálculos, métodos de análise espacial etc. Podem ser aplicados de forma isolada ou conjunto, dependendo do tipo de consulta ou análise a que a base de dados esteja sendo submetida. - exibição e saída de dados: O módulo de saída de dados e apresentação da informação tem por finalidade efetuar a exibição dos resultados de análise. A apresentação pode ser efetuada em forma de mapas, tabelas, relatórios impressos ou mesmo na tela do terminal gráfico. Dados São elementos fundamentais para o SIG. Os dados geográficos, espaciais ou georreferenciados se diferenciam dos demais tipos de dados por possuírem, além do atributo alfanumérico (descrição do fenômeno), a sua localização sobre a superfície terrestre. Os dados geográficos possuem normalmente um custo elevado de aquisição. Hoje em dia o custo de hardware e software é menor em alguns casos, em comparação com o custo de dados para a criação de uma base. Necessita-se, portanto de um tratamento bastante especial para o dimensionamento, modelagem, estruturação, organização e implementação da base de dados do SIG. Ambiente Organizacional Para ser utilizado, o SIG necessita estar em um contexto organizacional apropriado. A aquisição pura e simples de um sistema, não significa que o mesmo irá funcionar, e se funcionar, se o fará de forma eficaz. Deve ser criada uma metodologia de implantação do sistema, alinhando-se os problemas da necessidade, escolha do sistema, custo de implantação, treinamento de pessoal, custo operacional, tempo de implantação etc.

15 1.3 - Diferenças Entre os Sistemas SIG e CAD Muitos problemas no uso de ferramentas de geoprocessamento decorrem do fato de que, por inexperiência, muitos técnicos utilizam sistemas CAD (Computer Aided Design) como SIG. O sistema CAD foi criado para facilitar a execução de projetos de engenharia e arquitetura, mas são frequentemente utilizados em cartografia digital. Assim é relevante estabelecer a diferença entre as duas tecnologias. Um sistema CAD é uma ferramenta para capturar desenhos em algum formato legível por uma máquina. Os modelos CAD tratam os dados como desenhos eletrônicos em coordenadas do papel, armazenam dados espaciais como entidades gráficas. Logo, o CAD não incorpora a possibilidade de realização de análises espaciais. As plantas de obras, usadas por engenheiros e arquitetos, geralmente são desenvolvidas em sistema, são extremamente úteis, mas não apresentam localização espacial, são apenas desenhos. Em contraste, num sistema de Geoprocessamento, os dados estão sempre georreferenciados, isto é, localizados na superfície terrestre por um sistema de coordenadas. Na grande maioria dos casos, os dados estão numa projeção cartográfica. Diferente dos sistemas CAD, uma das características básicas e gerais de um SIG é a sua capacidade de tratar as relações espaciais entre objetos geográficos (topologia). Armazenar a topologia (vizinhança, proximidade, pertinência) de um mapa é uma das características básicas que fazem distinguir um SIG de um CAD Tipos e Características de Dados Geográficos Um dado geográfico possui três elementos básicos: Espacial: que se refere ao posicionamento, forma e relações geométricas entre as entidades espaciais; Descritivo: características definidoras da entidade geográfica ou os atributos que a qualificam; Temporal: que se refere à época de ocorrência do fenômeno geográfico. Principais características dos dados: Localização A localização é o atributo de posicionamento na superfície terrestre. A descrição em latitude e longitude, ou em coordenadas (x, y) relativas a uma projeção específica. Esta característica estabelece o posicionamento do dado da superfície terrestre na representação cartográfica. Volume de dados O volume de dados geográficos é bastante grande se comparado com o volume de dados de um banco de dados convencionais. O volume de dados para descrever e organizar um mapa é sempre da ordem de megabytes, crescendo exponencialmente à medida que aumenta a complexidade da representação. O trabalho com SIG sempre envolverá grandes volumes de dados para a manipulação da informação. Continuidade Como exemplo de uma variável contínua, cita-se a superfície física da Terra, não existe ponto que tenha uma altitude não determinada. A distribuição de alguns elementos em um mapa pode algumas vezes, assumir uma descontinuidade territorial, mas de qualquer forma cada elemento continua fazendo parte do todo Dados Gráficos Os dados gráficos podem ser descritos através de sua dimensionalidade. Um objeto 0 (zero) dimensional é um ponto que define uma posição geográfica. É uma entidade primitiva, não possuindo área, forma nem qualquer dimensão associada, a não ser a sua posição no espaço. Uma entidade unidimensional é definida por uma linha entre dois pontos. Considerando-se uma linha como uma sucessão de pontos. Uma entidade bidimensional é uma área, um polígono, uma região. Pode identificar fenômenos naturais ou humanos. As unidades de áreas podem ser entidades naturais, tais como ilhas, áreas de vegetação, solos, limites de parcelas rurais e urbanas, setores censitários, regiões administrativas etc. A entidade tridimensional ou volumétrica é representada por sólidos ou blocos. A superfície do terreno, lençóis subterrâneos, jazidas, fenômenos de ocorrência con-

16 tínua sobre a superfície terrestre são alguns dos exemplos possíveis. Algumas propriedades específicas são: volume, área de cada componente bidimensional, comprimento dos perímetros, perfis e seções transversais Dados Não Gráficos Os dados não gráficos são os dados descritivos dos dados gráficos. Referem-se às características ou atributos que permitirão identificar a entidade espacial em termos da sua qualificação. Também pelos seus atributos será definida a sua forma de representação. São definidos por itens de informações relativas aos aspectos físicos, ambientais, socioeconômicos etc. referentes ao dado. Os atributos físico-ambientais referem-se às características físico-geográficas, por exemplo, o tipo de estrada, volume de tráfego, número de pontes, número de túneis e outros elementos como estes em uma rede viária. Os atributos sociais podem ser dados sobre população, número de residências, casos de doenças, número de matrículas, entre outros. E os atributos econômicos englobam dados de distribuição de renda, produção, finanças etc Estrutura de Representação dos Dados Geográficos Existem basicamente duas formas de representar dados espaciais em um SIG: vetorial e matricial (raster). Estrutura Vetorial Nesta estrutura, os mapas são compostos por pontos, linhas e polígonos. Estes são representados como conjuntos de pares de coordenas (longitude, latitude). Estrutura Matricial Nesta estrutura tem-se uma matriz de células que estão associadas a valores. Cada célula é chamada de pixel e está associada a valores que são utilizados para definir uma cor. A matriz é formada por linhas e colunas e cada pixel pode ser associado a um par de coordenadas espaciais (longitude, latitude). Pontos: Entidades geográficas identificadas por um único par de coordenadas (x, y). Usualmente, um ponto é um símbolo relacionado a qualquer entidade geográfica que não é possível representá-la em sua dimensão (área). Em um mapa, dependendo da escala de representação, o ponto pode representar prédios públicos como hospitais. Linha: Conjunto de coordenadas (x, y) contínuas. Utilizada para representar entidades que têm apenas a dimensão em comprimento, ou como limites de polígonos. Neste caso, a rede hidrográfica pode ser representada por linha. Polígonos: Compreendem regiões limitadas por linhas. Cada polígono é construído a partir das linhas que o define. Em uma escala de representação mais detalhada os prédios podem ser representados por polígonos. Figura 1.2 Estrutura matricial. Fonte: Modificado de casanova (2005). As representações matricial e vetorial não são exatamente equivalentes para um mesmo dado. A representação vetorial é a mais adequada para identificar objetos, individualizáveis no terreno, onde se requer precisão. A representação matricial por sua vez é mais adequada para fenômenos e grandezas que variam continuamente no espaço como temperatura e altitude. Figura 1.1 Representações vetoriais. Fonte: casanova (2005). Para a produção de cartas e em operações onde se requer maior exatidão, a representação vetorial é mais adequada. As operações de álgebra de mapas são mais

17 facilmente realizadas no formato matricial. No entanto, para um mesmo grau de exatidão, o espaço de armazenamento requerido por uma representação matricial é substancialmente maior. 17 Figura 1.3 Comparação entre as estrutura vetorial e matricial em um mapa temático. Fonte: Modificado de casanova (2005). A tabela 1.4 mostra a comparação entre as vantagens e desvantagens de armazenamento vetorial e matricial: Tabela 1.4 Comparação entre as estruturas vetorial e matricial. Fonte: casanova (2005) Armazenamento de Dados em SIG A base de dados em SIG possui dados digitais espaciais que são compostos por componentes gráficos (mapas) e não gráficos (tabelas). A integração das duas componentes dos dados espaciais é uma característica básica dos SIG e se dá através de códigos comuns aos registros nas duas bases chamados geocódigos. Os dados de um SIG são geralmente organizados sob a forma de um banco de dados geográficos. Os sistemas gerenciadores de bancos de dados (SGBD) armazenam e recuperam informações de acordo com uma simplificação do mundo real, onde cada entidade é representada de acordo com a aplicação do usuário. Existem diferentes modelos de armazenamento de informações: sequencial, hierárquico, de rede, relacional e orientado a objetos. Sequencial Nesta estrutura as informações são guardadas em registros organizados sequencialmente, um após o outro.

18 18 Hierárquico Na estrutura hierárquica existem diferentes tipos de registro que são classificados como pais e filhos numa hierarquia. O registro pai é associado aos filhos que podem ou não ter filhos e assim sucessivamente. Exemplo: em uma quadra todos os lotes são seus filhos e os filhos dos lotes seriam as edificações. Rede Nesta estrutura diversas informações estão relacionadas entre si por meio de apontadores. Os apontadores formam pares de entidades. De par em par expressam relacionamentos do tipo 1 para 1 (1:1), 1 para vários (1: n), vários para 1 (n: 1) e vários para vários (m: n). Exemplos - no ocidente, cada esposa só tem um marido e vice-versa (1:1); - o departamento de técnico de uma empresa tem vários colaboradores (1: n); - um colaborador atua em vários projetos e cada projeto é desenvolvido por vários colaboradores (m: n). Relacional Nesta estrutura os arquivos do banco de dados estão ligados entre si de forma lógica. Cada arquivo contém diversos campos e para se relacionar com outro arquivo, basta que tenham ao menos um campo em comum. Orientado a Objetos Nesta estrutura o objeto é a unidade fundamental de recuperação e armazenamento de informação. Este objeto contém informações gráficas e alfanuméricas, além de informações sobre seu relacionamento com outros objetos Mapas Mapas Temáticos Dados temáticos descrevem a distribuição espacial de uma grandeza geográfica, expressa de forma qualitativa, como os mapas de pedologia e a aptidão agrícola de uma região. Estes dados, obtidos a partir de levantamento de campo, são inseridos no sistema por digitalização ou, de forma mais automatizada, a partir de classificação de imagens. Mapas temáticos medem, no espaço de atributos, valores nominais e ordinais. Os valores nominais (lista de valores) representam classes de um mapa temático, como por exemplo, um mapa de vegetação. No caso de valores ordinais, as classes do mapa representam intervalos (escala) de valores, como por exemplo, as classes de um mapa de declividade (0 a 5% - 5 a 10% etc.). Um mapa temático pode também ser armazenado no formato matricial ("raster"). Neste caso, a área correspondente ao mapa é dividida em células de tamanho fixo. Cada célula terá um valor qualitativo correspondente ao tema naquela localização espacial. A escolha entre a representação matricial e a vetorial para um mapa temático depende do objetivo do projeto. Para permitir uma representação e análise mais acurada do espaço geográfico, a maior parte dos sistemas armazena estes tipos de mapas na forma vetorial (pontos, linhas ou polígonos). A topologia construída é do tipo arco-nó-região: arcos se conectam entre si através de nós (pontos inicial e final) e arcos que circundam uma área definem um polígono (região). Figura Mapeamento temático (solos). Fonte: CÂMARA E MEDEIROS (1998). Mapas Cadastrais (Mapas de Objetos) Um mapa cadastral permite a representação de elementos gráficos (objetos geográficos) por pontos, linhas ou polígonos, sendo que estes possuem atributos descritivos e podem estar associados a várias representações gráficas. Por exemplo, os países da América do Sul são elementos do espaço geográfico que possuem

19 atributos (nome do país, valor do PIB, população etc.) e que podem ter representações gráficas diferentes em mapas de escalas distintas. A parte gráfica dos mapas cadastrais é armazenada em forma de coordenadas vetoriais, com a topologia associada. Não é usual representar estes dados na forma matricial. Já os atributos estão armazenados normalmente num sistema gerenciador de banco de dados. 19 Figura 1.6 Mapa cadastral. Fonte: CÂMARA E MEDEIROS (1998). Mapas de Redes Em Geoprocessamento, o conceito de "rede" denota as informações associadas aos seguintes tipos de dados: - Serviços de utilidade pública, como água, luz e telefone; - Redes de drenagem (bacias hidrográficas); - Rodovias. Este tipo de dado é muito utilizado em serviços de utilidade pública, como água, luz, telefone, redes de drenagem (bacias hidrográficas) e rodovias, que possuem uma localização geográfica bem definida e atributos descritivos, presentes no banco de dados. Figura 1.7 Elementos de rede. Fonte: CÂMARA E MEDEIROS (1998).

20 Mapas Numéricos 20 O termo modelo numérico de terreno (ou MNT) é utilizado para denotar a representação quantitativa da altimetria que varia continuamente no espaço. Entre os usos de modelos numéricos de terreno, pode-se citar: - Armazenamento de dados de altimetria para gerar mapas topográficos; - Análises de corte-aterro para projeto de estradas e barragens; - Análises de geomorfologia e erodibilidade; - Análise de variáveis geofísicas e geoquímicas; - Apresentação tridimensional. Um MNT pode ser definido como um modelo matemático que reproduz uma superfície real e assim descreve a variação contínua da superfície. Figura 1.8 Isolinhas de Topografia. Fonte: CÂMARA E MEDEIROS (1998) Tipos de Dados em Análise Espacial Em análise espacial são considerados três tipos de dados: Eventos pontuais fenômenos expressos através de ocorrências identificadas como pontos localizados no espaço, denominados processos pontuais. Exemplos: localização de crimes, ocorrências de doenças, e localização de espécies animais e vegetais. Superfícies contínuas estimadas a partir de um conjunto de amostras de campo, que podem estar regularmente ou irregularmente distribuídas. Usualmente, este tipo de dados é resultante de levantamento de recursos naturais, e que incluem mapas geológicos, pedológicos, topográficos etc. Áreas com taxas agregadas trata-se de dados associados a levantamentos populacionais, como censos e estatísticas de saúde, e que originalmente se referem a indivíduos localizados em pontos específicos do espaço Aplicações da Análise Espacial O objetivo geral do Geoprocessamento é fornecer ferramentas para que os usuários determinem a evolução espacial e temporal de um fenômeno geográfico e as interrelações entre diferentes fenômenos (análise espacial). Um dos primeiros exemplos documentados de análise espacial é o caso da epidemia de cólera em Londres: No século XIX, em 1854, ocorria em Londres uma epidemia de cólera. Nesta situação usou-se da análise espacial e a relação espacial entre os dados contribui significativamente para a compreensão do fenômeno. As causas da doença foram associadas à ingestão de água insalubre. Board Street seria o epicentro da epidemia, estudos complementares confirmaram a análise: neste ponto concentravam-se dejetos, inclusive de pacientes infectados (Figura 1.9). Figura Mapa de Londres com óbitos representados por pontos e poços de água representados por cruzes. Fonte: Modificado de TUFTE (1983).

21 Alguns exemplos típicos de análise espacial de um SIG são: Localização: Onde está...? o (objeto, fenômeno, evento etc.). Em que área está acontecendo o desmatamento? Condição: O que está...? em (estudo, análise etc.). Qual a vegetação atingida pela queimada? Tendência: O que mudou...? desde (2000, o último evento). Estas terras eram habitadas há cinco anos? Roteamento: Qual o melhor caminho...? para (a escola, o aeroporto etc.). Qual o melhor caminho para chegar até o local do crime? Padrões: Qual o padrão...? em (estudo, análise etc.). Qual a distribuição das zonas de alta densidade demográfica na cidade? Modelos: O que acontece se...? O que acontecerá se chover mais que 5000 mm nos próximos 30 dias? É através do conhecimento do problema a ser resolvido que todo o sistema é desenvolvido. Quanto melhor se conhecer o problema, mais chance de sucesso na implementação do sistema. A eficiência do sistema depende do conhecimento que o usuário tem do problema implementado. É perigosa e enganosa a implementação de um sistema sem a explícita definição da aplicação, dos dados e dos tipos de análise a serem desenvolvidos. (Burrough, 1986). 21 Leitura Complementar Giz ou gis na sala de aula? A Utilização de Sistemas de Informação Geográfica no Ensino Médio Janaína Eliza Fadel O título deste texto é uma brincadeira feita a partir da observação de pessoas que, geralmente, não conhecem o significado da sigla GIS, e quando se deparam com algum material produzido pelas técnicas da geomática (Ciência e tecnologia para obtenção, análise, interpretação, distribuição e uso da informação espacial) tendem a trocar os nomes. Na verdade, GIS é a sigla, em inglês, do que chamamos de Sistema de Informação Geográfica (SIG). Existe alguma controvérsia no mundo acadêmico em relação à tradução do termo; muitos estudiosos utilizam a denominação Sistemas Geográficos de Informação (SGI) em detrimento do SIG. O texto se refere à utilização deste tipo de ferramenta no Ensino da Geografia. A atividade que será proposta é recomendada para alunos do Ensino Médio, dada à necessidade de realização de trabalho de campo, para o levantamento sobre algumas variáveis de uma área a ser determinada para o estudo. O professor divide a turma em grupos, escolhe uma área de estudo e um tipo de variável. A variável adotada foi a escola; foi feito o levantamento de todas as escolas situadas no bairro do Grajaú, localizado na Zona Norte do município do Rio de Janeiro. Relaciona-se, em seguida, a inserção de pontos no ArcView (software da família ESRI, utilizado para elaboração de mapas em meio digital), que indicarão a localização das escolas ao adicionar o tema referente à mesma. Ao clicarmos em qualquer ponto será visualizada uma tabela contendo todas as informações disponíveis sobre a referida escola. Também poderão ser fotografadas algumas das escolas; a utilização do "scanner" nas fotografias permitirá que as mesmas sejam convertidas em uma imagem em algum formato compatível ao "software" em questão. Tanto a área de estudo quanto a variável poderá ter outro enfoque, como por exemplo: um determinado município, outro bairro, uma cidade (como área de estudo); postos de saúde, estabelecimentos industriais, estabelecimentos comerciais (como variável a ser pesquisada). As opções são inúmeras e o professor poderá adequar uma área de estudo e uma variável de acordo com o conteúdo tratado em sala de aula.

22 Bibliografia Recomendada 22 CÂMARA, G. & MEDEIROS, J. S. Geoprocessamento para projetos ambientais. INPE. São José dos Campos, São Paulo. Brasil, MOURA, Ana C. M. Geoprocessamento na gestão e planejamento urbano. Belo Horizonte: Ed. da Autora, ROCHA, C. H. B. Geoprocessamento: tecnologia transdisciplinar. Ed. do autor. Juiz de Fora, Minas Gerais. Brasil, SILVA, Jorge X. & ZAIDAN, Ricardo T. (orgs). Geoprocessamento e análise ambiental: aplicações. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, Sites Recomendados Curso virtual de Cartografia e SIG Livros disponíveis do INPE SPRING Exercícios 1- Quatro formas clássicas de estruturação de banco de dados são: A) hierárquica, redes, orientada a processos e orientada a objetos. B) hierárquica, redes, relacional e orientada a objetos. C) hierárquica, procedural, relacional e orientada a processos. D) redes, relacional, procedural e orientada a processos. E) redes, procedural, orientada a processos e orientada a objetos. 2- Considerando os Sistemas de Informação Geográfica (SIG) e os Sistemas para Projeto Assistido (CAD), qual a principal função que os distingue? 3- Como se dá a codificação da informação geográfica nos modelos matricial e vetorial? Uma informação não gráfica, associada a um fenômeno com representação pontual, em um SIG é: A) um atributo. B) um operador. C) uma abstração. D) uma classificação. E) uma generalização.

23 UNIDADE II 23 SENSORIAMENTO REMOTO Considerações Iniciais Há décadas, o sensoriamento remoto vem sendo utilizado como ferramenta básica para o mapeamento da superfície terrestre e como auxílio à pesquisa e à gestão de recursos naturais. A primeira forma de sensoriamento remoto a ser desenvolvida foi a fotografia aérea. As primeiras fotografias aéreas foram tiradas em um balão por Nader, em 1855, constituindo objeto de curiosidade até seu emprego militar, durante a 1ª Guerra Mundial ( ). Por ocasião dos conflitos armados, as fotografias aéreas foram utilizadas para adquirir informações de territórios pouco documentados, como suporte à formulação de estratégias e ao planejamento de ações táticas. Posteriormente, tais produtos passaram a ser aproveitados para o uso civil. Centeno (2004) afirma que o uso das fotografias aéreas ganhou interesse na Engenharia Civil, como subsídio para o mapeamento e reconhecimento do terreno, e na Engenharia Agrícola, como ferramenta para o mapeamento do solo. No entanto, as fotografias aéreas apresentam altos custos de obtenção e pouca versatilidade temporal e de recobrimento. Estas restrições se devem ao fato de que, geralmente, os levantamentos aerofotogramétricos são realizados em áreas específicas e separados por grandes intervalos de tempo. Com o advento dos sensores orbitais, vastas regiões puderam ser imageadas com certa periodicidade, o que possibilitou a realização de estudos multitemporais em escalas que variam da regional a continental, a um custo relativamente baixo. O Sputnik da URSS foi o primeiro satélite artificial cujo lançamento ocorreu em Nessa oportunidade, o primeiro uso vislumbrado foi a observação global da atmosfera para fins meteorológicos. Por isso, o imageamento da superfície do nosso planeta, a partir de plataformas orbitais, pode ser considerado um desdobramento do emprego dos satélites meteorológicos. A partir de 1960, os programas americanos Mercury, Gemini e Apollo iniciaram a nova era do sensoriamento remoto, realizando experimentos e obtendo fotografias. Em 1967, a NASA (National Aeronautics and Space Administration), em parceria com o Departamento de Interior dos Estados Unidos, planejou o programa de lançamentos de satélites específicos para estudar a superfície da Terra. Em 1972, foi colocado em órbita o ERTS (Earth Resources Technology Satellite), com o objetivo de coletar dados a respeito dos recursos naturais do planeta, cuja denominação passou depois a ser Landsat (Land Satellite). Na fase inicial de aquisição de imagens digitais pelo sistema, o custo dos produtos e o suporte computacional necessário representavam um entrave, mas, diante dos bons resultados obtidos, aumentou o interesse de diversas instituições no desenvolvimento de pesquisas utilizando tal ferramenta. No final da década de 1960 e início da década de 1970, foram grandes os investimentos voltados para o aprimoramento dessa geotecnologia. O sucesso do Landsat popularizou o sensoriamento remoto, que pode ser entendido como a medição das propriedades de objetos sobre a superfície terrestre sem o contato físico com os mesmos, usando dados adquiridos a partir de aeronaves e satélites (Schowengerdt, 1997). Essas determinações efetuadas à distância podem ser utilizadas em várias aplicações, que vão da avaliação e monitoramento do crescimento urbano até a pesquisa por recursos minerais e energéticos Conceitos e Fundamentos Para o sensoriamento remoto, é fundamental a existência de uma fonte que ilumine ou dirija energia ao alvo de interesse. Quando o sensor possui sua própria fonte de energia, é denominado ativo; quando utiliza uma fonte externa de energia, como o sol, é designado passivo. As informações sobre os alvos são obtidas pela radiação eletromagnética por eles refletida, emitida ou retroespalhada. A radiação eletromagnética propaga-se no vácuo à velocidade da luz (c = 3 x 10 8 m/s), com o campo elétrico variando em magnitude na direção perpendicular à propaga-

24 ção do pulso e o campo magnético perpendicular a ambos. Assim, o campo elétrico (E) e o campo magnético (M) são perpendiculares entre si e oscilam de forma perpendicular ao percurso feito pela radiação eletromagnética (Figura 2.1). 24 Figura 2.1 Propagação da onda eletromagnética. Fonte: Modificado de Henderson & Lewis (1998). Os principais parâmetros que caracterizam a onda eletromagnética são o comprimento (λ) (distância entre dois picos sucessivos) e a frequência (f) (número de ondas que passa por um ponto fixo em determinado intervalo de tempo). Quanto maior a frequência, menor é o comprimento de onda, segundo a relação c= λ f. A radiação eletromagnética pode ser encontrada em um amplo espectro de valores possíveis para o comprimento de onda ou a frequência. A Figura 2.2 mostra as regiões do espectro eletromagnético ordenadas de acordo com o comprimento de onda. Apenas algumas regiões são de interesse em sensoriamento remoto, pois nelas a transmissão de energia eletromagnética na atmosfera é máxima. A faixa entre 0,4µm a 0,7µm representa o espectro visível. O infravermelho é dividido em categorias: refletido (0,7µm a 3µm), na qual é possível obter informações sobre a composição química dos alvos, e o termal (3µm a 14µm), onde a energia emitida é proporcional à temperatura dos alvos. Por fim, está a faixa das micro-ondas (1mm a 1 m), na qual operam os sistemas de radar. Figura 2.2 Espectro eletromagnético. Fonte: Modificado de Sabins (1997).

25 2.3 - Sistemas Sensores Os sensores são os sistemas responsáveis pela conversão da energia proveniente dos objetos em um registro na forma de imagem ou gráfico (NOVO, 2008). 25 Os sistemas sensores podem ser classificados de diferentes maneiras: Tabela 2.3 Sistemas sensores. Fonte: IBGE (2000). A) Quanto à fonte de energia - podem ser classificados como sensores passivos e ativos. Os passivos dependem de uma fonte externa de radiação para que possam gerar informações sobre os alvos, eles detectam a radiação solar refletida ou emitida pelos objetos da superfície. Os sistemas ativos, ao contrário dos passivos, possuem sua própria fonte de energia e geram imagens a partir do registro pelo sensor da radiação eletromagnética retroespalhada pelos objetos na superfície terrestre. Assim, não dependem da luz solar para sua operação e, por isso, podem adquirir dados durante o dia e a noite, o que traz a vantagem de diminuir o período de revisita à área de interesse. B) Quanto à região do espectro - são classificados como ópticos e de micro-ondas. Nos ópticos, a radiação é coletada por um sistema óptico, estes são classificados como refletivos ou termais, de acordo com a região do espectro eletromagnético. Os sistemas de micro-ondas são ativos e operam em ondas de radar. Uma importante vantagem oferecida pelos sistemas de radar é a independência do imageamento em relação às condições atmosféricas e de poluição, uma vez que as microondas são capazes de penetrar nas nuvens, fumaça e poeira. Além disso, o radar é o único sensor remoto com capacidade de penetração no dossel vegetal. C) Quanto ao sistema de captação dos dados - os sistemas fotográficos são as câmeras fotográficas que tiveram papel fundamental para o desenvolvimento do sensoriamento remoto. Nos eletros-ópticos a informação é registrada na forma de sinal elétrico, este sinal é processado e transformado em valor digital. Estes sensores podem ainda ser classificados em função do processo utilizado na formação da imagem. Os sistemas de quadrado (framing systems) adquirem a imagem da cena em sua totalidade num mesmo instante. Já nos sistemas de varredura (scanning systems), a imagem da cena é formada pela aquisição sequencial de imagens. Os sistemas não imageadores detectam a radiação de forma pontual e não formam imagens. Por exemplo, as sondas atmosféricas obtêm perfis verticais de sua composição e os altímetros obtêm dados de altitude ao longo de um perfil da superfície. Características Básicas dos Sensores Geométricas Definem a qualidade geométrica da imagem adquirida em termos de posição e forma dos objetos imageados em relação a sua posição e forma no terreno. Radiométricas Indicam a capacidade do sensor de discriminar objetos na cena em função das diferenças de energia que refletem ou emitem. Espectrais Indicam as regiões do espectro eletromagnético em que o sensor opera.

26 26 Tipos de Órbita Geoestacionária O sensor mantém uma posição fixa em relação a um ponto na superfície terrestre. Polar O sensor circula, formando ângulos próximos a 90 com a linha do equador. Sol-síncrona A órbita é quase polar, o sensor cruza sempre o equador no mesmo horário solar. Tipos de Satélite Satélites Meteorológicos GOES e METEOSAT Satélites de Aplicação Híbrida NOAA Aplicações meteorológicas, oceanográficas e terrestres. Satélites de Recursos Naturais Landsat, SPOT, CBERS, IRS, JERS, ERS, RADAR- SAT, IKONOS II Comportamento Espectral de Alvos O comportamento espectral de alvos é importante para extração de informações de imagens e também para definição de novos sensores, definição do tipo de pré-processamento que devem ser submetidos os dados brutos, ou definição da forma de aquisição dos dados. A radiação solar incidente na superfície terrestre interage de modo diferente com cada tipo de alvo. Esta diferença é determinada pelas diferentes composições físico-químicas dos objetos ou feições terrestres. Isto faz com que cada alvo tenha sua assinatura espectral. Na figura 2.4 estão presentes as curvas espectrais que descrevem as propriedades radiométricas de cada alvo, pode-se observar que a refletância dos alvos varia com o comprimento de onda. A curva típica de cada material é chamada assinatura espectral. Figura 2.4 Curvas espectrais. Fonte: Acessado em abril de Vegetação Até 0,7 µm, a refletância é baixa, dominando a absorção da radiação incidente pelos pigmentos da planta. Em 0,56 µm, há um pequeno aumento do coeficiente de refletância. Concreto Aumento da refletância com o comprimento de onda.

27 Solo Regiões Espectrais 0,57 µm Propriedades Monitoramento de matéria orgânica em solos sem cobertura vegetal. 27 Regiões do espectro mais adequadas ao estudo de propriedades físico-químicas 0,7 µm e 0,9 µm 1,0 Monitoramento do conteúdo de compostos de ferro férrico. Monitoramento do conteúdo de compostos de ferro ferroso. 2,2 Monitoramento de umidade do solo. Asfalto Refletância baixa entre 0,3 µm e 0,4 µm; refletância crescente entre 0,4 µm e 0,6 µm. Água A água em estado líquido apresenta baixa refletância entre 0,38 µm e 0,70 µm, absorvendo toda a radiação acima de 0,7 µm. A água em forma de nuvens apresenta altíssima refletância (0,70 µm). A água em forma de neve apresenta elevada refletância (maior que das nuvens) entre 0,7 µm e 1,2 µm. Para selecionar o sensor mais adequado para um determinado projeto, deve-se considerar a resolução espacial e a resolução espectral. A resolução espacial está relacionada com a escala de trabalho, enquanto a resolução espectral está relacionada com a capacidade de discriminação de alvos espectralmente semelhantes. Assim, o conhecimento da assinatura espectral auxilia na tomada de decisão A Imagem Digital A imagem digital é constituída por um arranjo de elementos (valores numéricos) sob forma de grade regular. As células desta grade apresentam a localização definida por um sistema de coordenadas (x, y) representados por colunas e linhas (Figura 2.5). Cada célula é um pixel que está representando uma área da superfície terrestre. A cada pixel está associado um valor numérico que indica a intensidade da radiação eletromagnética refletida, esta intensidade varia em tons de cinza, o preto representa o nível mínimo e o branco representa o nível máximo. Uma imagem digital pode então ser vista como uma matriz, de dimensões X linhas por Y colunas, com cada elemento possuindo um atributo Z (nível de cinza). Figura 2.5 Formato da imagem digital. Fonte: IBGE, 2000.

28 Imagens multiespectrais: São aquelas adquiridas em diferentes porções do espectro eletromagnético simultaneamente Principais Características das Imagens de Sensoriamento Remoto Resolução é a capacidade de um sistema sensor produzir uma imagem nítida e bem definida. As características dos sistemas sensores são expressas em função de alguns domínios de resolução: espacial, espectral, radiométrica e temporal. Espacial Representa a menor feição passível de detecção. É dada pela área da superfície terrestre observada instantaneamente por cada sensor. Figura 2.6 Resolução espacial. Fonte: COSTA (1996). Espectral Medida da largura das faixas espectrais e da sensibilidade do sistema sensor em distinguir entre dois níveis de intensidade do sinal de retorno. É dada pelo número de bandas do espectro eletromagnético capturadas pelos sensores. Cada sensor apresenta distintas bandas que operam em diferentes faixas do espectro eletromagnético, conhecendo o comportamento espectral dos alvos é possível escolher a banda mais adequada para cada aplicação. A figura 2.7 mostra exemplos do satélite CBERS.

29 29 Figura 2.7 Resolução espectral. Fonte: Acessado em abril de Radiométrica Descreve a habilidade do sensor de distinguir variações no nível de energia refletida, emitida ou retro-espalhada que deixa a superfície do alvo. Dada pela capacidade do sensor de diferenciar níveis de energia do alvo (quantização).

30 30 Figura 2.8 resolução radiométrica. Fonte: www6.ufrgs.br. Acessado em abril de Temporal É dada pelo intervalo de tempo entre duas tomadas de imagem. No caso de sensores orbitais indica o intervalo de tempo que o satélite leva para voltar a recobrir a mesma área de interesse. Tipos de Produtos Resolução Espacial Landsat = 30/15 metros Spot 4 = 20/10 metros Ikonos II = 4/1 metro(s) Quick Bird = 2.44/0,61 metro(s) Resolução Espectral Landsat 7 = 8 bandas SPOT = 4 bandas NOAA = 6 bandas Ikonos= 5 bandas Quick Bird = 5 bandas Resolução Radiométrica Landsat 7 = 8 bits = 256 níveis ERS = 16 bits = níveis Quick Bird = 11 bits = níveis Resolução Temporal Landsat 7 = 16 dias CBERS = 3 dias NOAA = 6 horas METEOSAT = 30 minutos Quick Bird = 1-3,5 dias Interpretação Visual de Dados Interpretar fotografias ou imagens é identificar objetos nelas representados e dar um significado a esses objetos (FLORENZANO, 2002). As imagens obtidas por sensores remotos são dados brutos, para serem transformados em informações necessitam ser analisados e interpretados. Na maioria das vezes, o resultado da interpretação de uma imagem é apresentado em forma de mapa. Alguns elementos são extremamente importantes para interpretação de imagens: tonalidade/cor, textura, tamanho, forma, sombra, altura, padrão e localização. Tonalidade A cena fotografada ou imageada é representada por diferentes tons de cinza que variam do branco ao preto. Quanto mais luz ou energia o objeto refletir, mais a sua representação tende ao branco e quanto menos energia refletir (absorver mais energia), mais a sua representação tende ao preto. Cor Usada na interpretação de fotografias ou imagens coloridas. A cor de cada objeto depende da quantidade de energia que ele reflete, da mistura entre as cores e da cor que for associada à imagem original em preto e branco.

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