CAPÍTULO 2 CONCEITOS DE GEOPROCESSAMENTO

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1 CAPÍTULO 2 CONCEITOS DE GEOPROCESSAMENTO Para iniciar um projeto de interface é necessário conhecer bem o domínio de sua aplicação. Neste sentido, este Capítulo revisa alguns conceitos importante de Geoprocessamento no ambiente do SPRING tais como a modelagem de dados geográficos, estrutura do banco de dados geográficos e noções de análise espacial em SIG. 2.1 Modelagem de Dados Geográficos Um modelo é uma construção artificial na qual partes de um domínio (domínio origem) são representadas em outro domínio (domínio destino) (Worboys, 1995). O propósito da modelagem é simplificar e abstrair o entendimento do domínio, ou universo, de origem e representá-lo sob a forma de expressão do domínio, ou universo, de destino. No processo de modelagem de dados geográficos, relacionaremos estes dois universos: Universo Conceitual, que contém uma definição matemática formal das entidades do mundo real, consideradas relevantes para o estudo; Universo de Representação, onde as diversas entidades formais são mapeadas para representações geométricas Universo Conceitual O dado geográfico pode ser estudado segundo duas visões complementares: o modelo de campos e o modelo de objetos Câmara et al. (1996). O modelo de campos enxerga o mundo como um superfície contínua, sobre a qual os fenômeno geográfico variam segundo diferentes distribuição. O modelo de objetos representa o mundo como uma superfície ocupada por objetos identificáveis, com geometria e características próprias. Compartilhando da mesma visão, Goodchild (1992) cita: da análise do universo do mundo real pode-se constatar que as aplicações de Geoprocessamento lidam com dois grandes tipos de dados: 23

2 ! Campo geográfico (Geo-campos): correspondem a grandezas distribuídas espacialmente, como tipo de solo, topografia e teor de minerais.! Objetos geográficos (ou Geo-objetos): individualizáveis e tem identificação com elementos do mundo real, como lotes num cadastro urbano e postes numa rede elétrica. A identificação de Geo-campos se distingue em muito da identificação de Geo-objetos: p. ex., um solo arenoso é um valor para um Geo-campo que pode estar espalhado em manchas desconexas em mapa de classificação de solo; já a rodovia D. Pedro I é um Geo-objeto único. No entanto, Geo-objetos podem estar associados a mais de uma representação geométrica, ou seja, a rodovia D. Pedro I pode ter um mesmo identificador no banco de dados e mais de uma representação em mapas diferentes em escala e nível de detalhes. Classes de Dados em SIG: No modelo de dados do SPRING (Câmara, 1995) o universo conceitual toma como base as classes Geo-campos e Geo-objetos e as especializam em tipos de dados que suportam os dados geográficos em conformidade com suas características, as quais seriam: Temático: Numérico: Imagem: É um Geo-campo que caracteriza um mapa temático, onde cada posição do campo possui uma identificação do tema a que pertence, um exemplo seria um mapa de vegetação que é caracterizado pelo conjunto de temas (p. ex.: floresta densa, floresta aberta e cerrado); É um Geo-campo que caracteriza um modelo numérico de terreno, onde cada posição do campo possui um valor real que descreve a ocorrência de um fenômeno, p. ex.: mapa de campo magnético ou mapa de altimetria; É uma especialização da classe Numérico onde os atributos são inteiros naturais (Ν) que caracteriza um valor de intensidade e cor para dados de sensoreamento remoto, p. ex.: imagens de satélite, imagens de radar, fotografia aérea, etc.; 24

3 Cadastral: Redes: É um conjunto de representações de Geo-objetos para uma mesma área geográfica, projeção cartográfica e escala, p. ex.: Mapa de Lotes de uma cidade. É uma especialização da classe Cadastral que armazena estruturas e localidades linearmente, p. ex.: rede elétrica Universo de Representação No universo de representação, definimos as representações geométricas que estão associadas às classes do universo conceitual; Primeiramente, devemos considerar as duas grandes classes, ou estrutura de dados, para representações geométricas: Representação Vetorial e Representação Matricial: A Representação Vetorial: Todo fenômeno geográfico em princípio pode ser representado por um ponto, uma linha ou uma região com um rótulo identificando-o (Burrough, 1986). A representação vetorial podem ser resumida neste três conceitos (ponto, linha e região) vide Figura 2.1. Desta forma, uma antena emissora de TV, p. ex., pode ser representada por um ponto, através do par de coordenadas XY e seu rótulo Antena X. Analogamente o mesmo se dá com estradas, oleodutos e limites políticos quando representados por linhas. Já uma região é um conjunto de polígonos identificados por um mesmo rótulo, podendo ser composto por várias ocorrências discretas (vários polígonos que identificam o mesmo fenômeno) e podendo conter regiões de rótulo diferente dentro destes polígonos (polígonos com furos). Figura Componentes básicos de Vetorial: Ponto, Linha e Região 25

4 Apesar de nossos olhos poderem facilmente distinguir em um mapa os relacionamentos topológicos, para sua representação computacional é necessário explicitá-los em cada componente do mapa (ponto, linha e região) em uma estrutura de dados conhecida como Estrutura arco-nó-polígono (Worboys, 1995), vide Figura 2.2. Esta estrutura de dados visa manter consistente os relacionamentos topológicos entre todos os elementos do mapa, o que irá possibilitar a aplicação de operadores de análise e consultas que requerem topologia. Figura Estrutura Topológica 26

5 A Representação Matricial: A mais simples das estruturas de dados matriciais consiste de uma grade de células. Cada célula é referenciadas pela linha e coluna que a contém e um número que representa o tipo ou valor de seu atributo, ex. Figura 2.3 e Figura 2.4: Figura 2.3 Exemplo de Sensoreamento Remoto (imagem LandSat de Poços de Caldas-MG) Figura 2.4 Exemplo de Mapa Temático (geologia de Poços de Caldas) 27

6 Classes de Dados e sua Representação: Neste ponto é necessário estabelecer o relacionamento entre o Universo Conceitual e o Universo de Representação, ou seja, entre as classes de dados e sua representação: Temático: Numérico: A princípio é capturado pelo SIG como dado Vetorial, mas para fins de cruzamento de informações, em procedimentos de análise, pode possuir uma representação Matricial produzida através de conversão Vetorial-Matricial. Pode ser capturado pelo SIG como dado Vetorial, p. ex. curvas de nível, valores para pontos de amostras regulares ou irregulares, mas para fins de operações de análise deve possuir uma representação Matricial produzida através de procedimentos de interpolação dos valores amostrados. Imagem: É tipicamente um dado Matricial,. Cadastral: Rede: É representado por uma estrutura topológica arco-nó-poligno, podendo suportar pontos, linhas e regiões. É representado por uma estrutura topológica de arco-nó, podendo suportar pontos e linhas. 2.2 Estrutura de um Banco de Dados Geográficos Através do processo de definir o esquema conceitual de um banco de dados geográficos no SPRING o usuário estrutura o banco de dados de sua(s) aplicações. Este processo consiste em definir Categorias, as Categorias estendem as classes de dados do SPRING, criando classes derivadas de Geo-objeto, Cadastral, Rede, Não-Espacial, Temático, Numérico e Imagem. Os nomes das Categorias que são fornecidos pelo próprio usuário. O exemplo a seguir define o esquema conceitual para um banco de dados geográficos para cadastro rural. Na Figura 2.5 é apresentado o modelo de classes deste banco de dados, as setas identificas como indicam especializações. 28

7 " uma Categoria Fazendas, especialização de Geo-objeto " uma Categoria Mapa de Propriedades, especialização de Cadastral, que define um mapeamento para os objetos da classe fazendas e suas especializações. " uma Categoria Mapa de Solos, especialização de Temático, cujas instâncias armazenam o tipo de solos para as áreas de estudo; " as Categoria Altimetria e Declividade, especializações de Numérico, cujas instâncias guardam (respectivamente) a topografia e a declividade da área de estudo; " uma Categoria Dados LandSat, especialização de Imagem, cujas instâncias contêm as imagens do satélite LandSat sobre a região de estudo. GeoCampo Cadastral GeoObjeto Temático Mapa solos Altimetria MNT Declividade Dado Sens. Rem. Dados LANDSAT is-mapped-in Mapa Fazendas Propriedades Figura 2.5 Exemplo de definição do Esquema Conceitual. Adaptado de Câmara (1995) Instanciação do modelo A população do banco de dados geográfico, no exemplo específico do SPRING (Câmara 1995), se dá pela inclusão no sistema de Planos de Informação. Em última análise um Planos de Informação é um mapa (isto é verdade para as Categorias Imagem, Numérico, Cadastral. Temático e Redes). Cada Plano de Informação é uma instância direta da Categoria a que pertence, p. ex.: MapaBasico da Categoria Mapa solos. 29

8 Multi-representação e a Instanciação: No modelo de dados do SPRING, um Plano de Informação pode ter mais de uma representação. Por exemplo, uma Plano de Informação de um Categoria do tipo Temático pode ter uma representação Vetorial e outra Matricial (Figura 2.6). Plano de Informação is-represented-by é-um Represent. Geom. é-um Matricial Vetorial Figura Representação 2.3 Análise Espacial Um sistema de informações geográficas não é apenas um repositório de dados geográficos que possibilita procedimentos de automatização de desenho. A característica fundamental de um SIG é sua capacidade de gerar novas informações a partir dos dados disponíveis em seu repositório. Este processo é denotado por termo análise espacial e envolve um conjunto de operadores sobre campos e objetos geográficos. Esta seção faz uma apresentação sucinta da hierarquização destes operadores. Sua utilização prática é discutida no próximo Capítulo Operações sobre Campos Descrevemos nesta seção as operações sobre Geo-campos e suas especializações Temático, Numérico e Imagem, que podem ser classificados como (Tomlin, 1990): 1) Pontuais: a saída da operação é um Geo-campo cujos valores são função apenas dos valores dos Geo-campos de entrada em cada localização correspondente. Podem operar apenas sobre um campo (p. ex. fatiar um modelo numérico de terreno, classificar uma imagem) ou realizar intercessões entre conjuntos espaciais (p. ex. operações booleanas entre mapas temáticos). 30

9 2) Vizinhança: o resultado é um Geo-campo cujos valores dependem da vizinhança da localização considerada. (p. ex. filtragem espacial de uma imagem, cálculo de declividade de um Numérico) 3) Zonais: caso especial de (2), estas operações são definidas sobre regiões específicas de um Geo-campo de entrada, onde as restrições são fornecidas por outro Geo-campo temático. (p. ex. dado um mapa de solos e um mapa de declividade da mesma região, obtenha a declividade média para cada tipo de solo ). 4) Propriedades: operações que devolvem valores (escalares ou vetores) de um Geo-campo ou um conjunto de Geo-campos. (p. ex. calcule a altitude média do terreno e obtenha o histograma de uma imagem ) Operações sobre Objetos As operações sobre Geo-objetos incluem: Restrições sobre atributos: computados em função dos atributos de entidades espaciais (p. ex. selecione todas as cidades de Alagoas com mortalidade infantil maior que 10%? ). Restrições espaciais: derivados a partir dos relacionamentos topológicos das entidades geográficas (p. ex. dê-me todos as escolas municipais do bairro Jardim Satélite ), de direção ( ao norte de, acima de ) ou métricos (e.g. dê-me todas as escolas a menos de 500 m da Via Dutra ). Propriedades de Geo-objetos: os resultados correspondem a predicados de um Geo-objeto ou de um conjunto de Geo-objetos (p. ex. calcule a média do valor venal das casas do bairro Jardim Esplanada ou indique o caminho ótimo para o ônibus que vai do Centro ao Jardim Planalto ). 31

10 2.3.3 Operações entre Campos e Objetos As operações que combinam campos e objetos incluem: Atualização de atributos de objetos, a partir de Geo-campos: Exemplo: Dados a altimetria e o mapa de municípios do Vale do Paraíba, crie um novo mapa aonde cada município terá o atributo altitude média atualizado a partir dos dados numéricos. Atualização de atributos de objetos, a partir de restrições booleanas aplicadas a um conjunto de Geocampos. Exemplo: Atualize o mapa de municípios da Amazônia, indicando a área de cada município onde ocorreu desmatamento em Geração de objetos e um mapa cadastral associado, a partir de Geo-campos: Exemplo: Identifique as áreas homogêneas de uma região a partir da interseção dos mapas de vegetação, solos e geologia. ( operação de identificação). Operações que geram Geo-campos a partir de atributos de objetos. Exemplo: Gere um mapa temático da distribuição de renda no Brasil, a partir do mapa de municípios do IBGE. (operação de Reclassificação por Atributos). Pode haver a necessidade de se recalcular a topologia do mapa resultante pois as regiões serão combinadas. Operações que geram Geo-campos a partir de propriedades de objetos: Exemplo: Determine a região que dista 50m da rodovia para que não haja queima de cana. (Mapa de distâncias, Buffer): gera um Geo-campo contendo as distâncias de cada ponto do mapa a um Geoobjeto de referência (representado por um ponto, linha ou região). 32

11 2.3.4 Relações de Operadores Em Câmara (1995) encontramos a seguinte relação de operadores (Tabela 2.1) indicando, para cada operação: a classe dos objetos de entrada e de saída, e dos objetos modificadores (quando cabível) e as restrições de cada operação: Tabela Operações sobre Campos e Objetos. Fonte: Câmara (1995). Operação Objeto Entrada Objeto Modificador Objeto Saída Restrição Ponderação TEMÁTICO NUMÉRICO (função unária) Fatiamento NUMÉRICO TEMÁTICO (função unária) Reclassificação TEMÁTICO TEMÁTICO (função unária) Booleana NUMÉRICO, TEMÁTICO TEMÁTICO (regras) Matemática NUMÉRICO NUMÉRICO (fórmula) Vizinhança NUMÉRICO, NUMÉRICO, TEMÁTICO TEMÁTICO Zonais NUMÉRICO TEMÁTICO NUMÉRICO Seleção Espacial GEO-OBJETO CADASTRAL GEO-OBJETO Junção GEO-OBJETO CADASTRAL GEO-OBJETO e Espacial (conjuntos) VALORES Identificação TEMÁTICO GEO-OBJETO CADASTRAL TEMÁTICO (n) Intersecção Espacial Mapa Distâncias Reclassificação Atributos Zonal sobre GEO-OBJETOs Seleção espacial (restr= GEO-CAMPO) (função local e forma da vizinhança) (predicado espacial) (predicado espacial) GEO-OBJETO CADASTRAL GEO-OBJETO CADASTRAL TEMÁTICO (predicado métrico) GEO-OBJETO TEMÁTICO, NUMÉRICO GEO-OBJETO CADASTRAL TEMÁTICO (atributo) GEO-OBJETO, CADASTRAL CADASTRAL, TEMÁTICO, NUMÉRICO TEMÁTICO, NUMÉRICO GEO-OBJETO (predicado espacial) 33

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