EXERCÍCIOS DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA (VERSÃO 8, 3/DEZ/2007) PEDRO TROCADO ALEXANDRE GONÇALVES DECIVIL IST 2004-2007
AULAS PRÁTICAS DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA 2007-2008 Programa provisório Aula Semana Tipo Matéria 1 10 Set - - 2 17 Set Prática Introdução ArcGis; ArcMap funções básicas 3 24 Set Prática Informação Alfanumérica 4 01 Out Prática Métodos de Inquirição; selecção 5 08 Out Prática Sistemas de Coordenadas; Georreferenciação 6 15 Out Prática Construção de Informação geográfica 7 22 Out Prática Exercícios de Análise espacial 8 29 Out Prática Continuação da matéria anterior (exercicios) 9 5 Nov Prática Continuação da matéria anterior (exercicios) 10 12 Nov Prática Optimização de percursos, áreas de influência 11 19 Nov Prática Modelos Matriciais em ArcGis 12 26 Nov Prática Modelos Matriciais em ArcGis (Modelos Digitais de Terreno) 13 4 Dez Prática Modelos Matriciais em ArcGis 14 11 Dez Avaliação Exercício Avaliação BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA: Fundamentos de Informação Geográfica (João Luis de Matos) LIDEL Slides das aulas AVALIAÇÃO Componente Teórica 70% (exame) Componente Prática 30% [exercício de avaliação na última aula prática] DOCENTE Alexandre Gonçalves; sala: 3.36 (3º piso); telf: 218418336 (ext.2336); mail: alexg@civil.ist.utl.pt; horário de dúvidas livre 2
AULA Nº 2 S UMÁRIO Introdução ao ArcGis 9.x descrição dos 3 módulos funcionais (ArcMap, ArcCatalog e ArcToolBox) Principais Funcionalidades do ArcMap: Visualização de informação (geográfica e alfanumérica); Edição de informação (geográfica e alfanumérica); Produção de saídas gráficas (layouts). Principais Funcionalidades do ArcCatalog: Gestão de informação (geográfica e alfanumérica); Ligação a base de dados externas; Definição de sistemas de coordenadas. Principais Funcionalidades do ArcToolBox: Operações de análise espacial; Conversão entre formatos; Organização e funções básicas do ArcMap: Conceitos de sessão ArcMap; data frame; layer; shapefile; entidade; Data view vs layout view; Simbologia; Zoom, pan, selecção, identificação e procura. AULA Nº 3 S UMÁRIO O que é uma tabela: propriedades das tabelas Tabela de layers vs outras tabelas (txt, info, dbf) Relações das tabelas com as layers Criar tabelas a partir de dados existentes o Ficheiros Criar uma tabela nova o Adicionar, definir e apagar campos o Adicionar e apagar registos Estado de edição da tabela Diferentes formas de edição da tabela o Registo a registo o Selecção simples 3
Sorting Estatísticas sobre campos da tabela (com e sem selecção) Selecção / Promote Joins(1:1) o Normal o Spatial Entre pontos e linhas equivale a distância mínima Entre poligonos e qualquer outro é relação contido em Links (1:N) Summarize o Generalidades o Operações de agrupamento o Soma de valores por grupo o Cardinalidade por grupo o Operadores de agrupamento: minimo, maximo, average, first, last o Merge ou Spatial Summarize Atenção ao facto de as operações do tipo Spatial Join ou Spatial Summarize não serem de facto operações de Base de Dados mas sim operações de Análise Espacial Exercícios sobre informação alfanumérica AULA Nº 4 S UMÁRIO Métodos de selecção de entidades: Construção de Querys. O modo de selecção Select by attributes e os diferentes métodos existentes. Selecção por localização espacial. O modo de selecção select by location. 4 Exercícios sobre Métodos de selecção. AULA Nº 5 S UMÁRIO Sistema de coordenadas: Elipsóide; Datum; Projecção cartográfica. O sistema de coordenadas da data frame vs o sistema de coordenadas da layer Transformação de coordenadas e respectivos parâmetros 4
Procedimentos de georreferenciação (exemplo prático): Pontos de controlo; Erro médio quadrático; Validação. Georreferenciação de um raster (extracto de carta 1:25000 do IGeoE) Exercício 5 M ATÉRIA Sistema de coordenadas da cartografia militar o Sistemas Hayford-Gauss militar e UTM Toolbar de georreferenciação Pontos de controlo Erro médio quadrático Correcção geométrica Definição do sistema de coordenadas do dataset AULA Nº6 S UMÁRIO Criação e edição de shapefiles Exercício 6 M ATÉRIA CRIAÇÃO E EDIÇÃO DE SHAPEFILES Converter uma layer para uma Shapefile o Selected non selected table attribs Criar uma Shapefile nova o XY layers o Point o Line Propriedades do snapping Split line Merge Edit vertices Shape properties Calculo automático de comprimentos 5
o Zooms e Pans dinâmicos o Polygon Propriedades do snapping Split poly; Adjacent poly; Donut poly Edit vertices Edit common line Subtract (with ou without shift) Intersect Shape properties Cálculo automático de áreas Criação de Shapefiles por digitalização de imagens Para o preenchimento automático do comprimento, faça o Field Calculator sobre a coluna que pretende actualizar; escolha a opção Advanced e coloque: 1ª caixa (VBA Script Code): Dim Output as double Dim pcurve as ICurve Set pcurve = [shape] Output = pcurve.length e na segunda (nome da coluna=): Output Quando as edições terminarem, escolha Stop Editing, que dá a opção de gravar (ou não) as edições. A Edit Tool permite editar vértice-a-vértice um elemento já inserido; o sketch button permite escolher uma série de opções de edição. O Snapping pode ser activado para automaticamente fazer com que o cursor fique sobre um ponto especial de um elemento próximo (final de uma linha, intersecção de linhas, etc.) Para activar o Snapping, clique em Editor > Snapping. AULAS Nº 7 E 8 S UMÁRIO Análise espacial: Buffer; Dissolve; Merge; Union; Intersect; Clip Exercício 7 M ATÉRIA 6
ANÁLISE ESPACIAL As operações de análise espacial, recorrendo a funções de proximidade como a função de buffer ou sobreposição topológica como a função de união, constituem as operações elementares de manipulação de layers que permitem a derivação de novos layers verificando condições expressas sobre a distribuição espacial e/ou atributos. A descrição da utilização de operações de análise espacial é apresentada na forma gráfica, e acordo com a notação indicada na que se segue. Esta é uma notação informal, no caso de se pretender uma descrição mais formal sugerese a utilização de UML com os estereótipos adequados. Conjunto de Dados Geográficos Operação Espacial Operação SQL Sequência de Processo Indicação de Prioridade no Processo Operadores de análise espacial sobre 1 layer o Buffer e Dissolve Operadores de análise espacial sobre 2 layers o Merge; Union; Intersect; Clip BUFFER A operação buffer é aplicável a layers de pontos, linhas ou polígonos e gera um layer de polígonos com o conjunto de pontos do espaço a uma distância dada (constante ou variável em função de atributo) dos elementos do layer original. Na opção aqui considerada os polígonos de buffer que se intersectam são fundidos. O layer resultante tem como atributo a indicação de interior ou exterior ou buffer. 7
Tema A Buffer < dist > Tema C DISSOLVE No layer resultante são agregados todos os polígonos adjacentes que tenham o mesmo valor no atributo designado. Tema A Dissolve <atributo> Tema C 8
MERGE Corresponde à junção das entidades existententes em vários layers, supostamente contíguos. Tema A Tema N Merge Tema C 9
UNION As entidades dos dois layers são unidas num só, procedendo-se à intersecção espacial das entidades quando necessário. Tema A Tema B União Tema C INTERSECT Corresponde a uma operação de SQL sobre uma união; só ficam no layer resultantes as entidades que existiam nos dois layers. Tema A Tema B Int Tema C 10
CLIP Esta operação é aplicada a layers de pontos, linhas ou polígonos, tendo como argumento um layer de polígonos cuja forma define a zona a apagar do layer objecto da operação. Tema A Tema B Corte Tema C 11
AULA Nº 9 S UMÁRIO Continuação do Exercício 7 Exercício 8 AULA Nº 10 S UMÁRIO Extensão Network Analyst M ATÉRIA EXTENSÃO NETWORK ANALYST O que é uma rede Arcos da rede e suas propriedades o Custo de deslocação o Sentidos permitidos Nós da rede e suas propriedades Turning tables Problemas resolúveis com análise de redes o Descobrir o melhor caminho o Direcções o Serviço mais próximo o Acessibilidades Construção de um Network Dataset Toda a análise de redes é executada sobre um Network Dataset. A construção de um Network Dataset é feita no ArcCatalog. AULA Nº 11 S UMÁRIO Extensão Spatial Analyst M ATÉRIA EXTENSÃO SPATIAL ANALYST Interpretação dos dados discreto vs contínuo 12
Grid properties Georreferenciação de grids Grids, suas tabelas e limitações destas Novos interfaces o Analysis o Surface o Contour tool o Histogram button Histogramas Find distance Calculate density Assign proximity Formatos de importação e exportação Conversão grid layer e vice - versa Interpolação / extrapolação o IDW o Spline o Krigging Cálculos com grids o Map calculator Simples Utilização de requests Con (conditional processing) o Map query o Reclassify o.int o.asgrid Criação de informação derivada o Isolinhas o Declive o Orientação de encostas o Shading Advanced legend on DTM Superficies de custo isócronas 13
EXERCÍCIOS- AULAS PRÁTICAS EXERCÍCIO 1 Crie uma tabela nova chamada coeficientes.dbf (em formato dbf com recurso ao módulo ArcCatalog) com os seguintes campos e estrutura: Campos: Tipo [Text, 5] Coef1 [Integer, 6] Coef2 [Integer, 6] Coef3 [Integer, 6] Dados: Tipo Coef1 Coef2 Coef3 EM 150 2 4 EN 280 1 3 ER 120 1 4 IC 210 2 2 IC/AE 270 1 1 IP 200 3 2 IP/AE 130 1 1 EXERCÍCIO 2 QUERY A TABELA DE ATRIBUTOS Considere a tabela autarquicas.dbf presente em \data\tables contendo dados referentes ao partido vencedor das eleições autárquicas de 1997 em cada concelho de Portugal Continental. Num novo projecto a que chamará ex2.mxd adicione a layer de concelhos e a da rede viária nacional a partir da shapefile vias.shp. De seguida responda às seguintes perguntas: 1. Qual o número de concelhos em que cada partido foi vencedor das eleições autárquicas de 1997? 2. Qual o número total de habitantes dos concelhos em que o PS foi vencedor das eleições autárquicas de 1997? 3. Qual o concelho com menor número de habitantes, onde o PSD foi vencedor das eleições autárquicas de 1997? E qual o maior? 4. Indique, de entre os concelhos em que o PSD ganhou as eleições de 1997, qual o maior e menor valores de acréscimo e decréscimo de população entre 1991 e 1996. 14
5. Qual o comprimento total das vias de Portugal Continental para cada tipo de via existente? 6. Qual o somatório do comprimento das vias de Portugal Continental? 7. Qual o numero total de arcos que representam IC s (independentemente de ser AE). Destes, quantos têm comprimento inferior a 5 km? 8. Utilizando a tabela de coeficientes que criou anteriormente e sabendo que a grandeza X se define por X = (coef1 * velocidade) (coef2 * número de vias) + (TMD/coef3), calcule o valor de X para cada via. EXERCÍCIO 3 QUERY ESPACIAL Adicione os vertices geodésicos do país a partir da tabela vertices.dbf presente em \Data\Tables. Identifique e quantifique os vértices geodésicos que estão nas seguintes condições: Localizar-se no distrito de Faro; Localizar-se ate 1000m das Estradas Nacionais. EXERCÍCIO 4 QUERY ESPACIAL Identifique qual o vértice geodésico com localização mais a norte no Distrito de Évora ou numa envolvente até 3000m. EXERCÍCIO 5 - GEORREFERENCIAÇÃO Considere a imagem 403_dir e proceda ao processo de georreferenciação e correcção geométrica adequado verificando a qualidade do mesmo. Utilize os seguintes pontos (coordenadas cartográficas no sistema militar, Datum Lx): Ponto XX YY Obs CALHANDRIZ 119481 217158 Vért. Geodésico MATO DA CRUZ 118128 216132 Vért. Geodésico BOIÇÃO 114978 216524 Vért. Geodésico MOURÃO 117594 218905 Vért. Geodésico EXERCÍCIO 6 NOVOS CDG Abra o projecto do exercicio/aula anterior, que terá a imagem 403_dir já georreferenciada. Rectifique-a (gravar um novo ficheiro com a imagem, em...\data\images), com resolução de 2 metros. 15
Construa as seguintes shapefiles no ArcCatalog (defina o sistema de coordenadas respectivo e grave em...\data\shape): 1 - Shapefile de linhas (polyline) para representação da rede viária que liga as localidades de Santiago dos Velhos e Calhandriz e esta ao vértice geodésico de Mato da Cruz. A shapefile deve ter as seguintes características: i. Chamar-se estradas_bucelas.shp; ii. iii. iv. Sistema de coordenadas Hayford-Gauss Militar DtLX (ficheiro Lisboa Hayford Gauss IGeoE.prj, que está em Projected Coordinate Systems\National Grids); Existência de conectividade entre todos os arcos, ou seja, não poderá haver espaços vazios entre os arcos; Deve existir um atributo chamado Nome associado ao nome da estrada (a vermelho na carta); v. Deve existir um atributo chamado extensão com o valor numérico do comprimento do arco (float, prec. 6, scale 0). Indique para a rede viária construída a respectiva extensão total (em quilómetros). 2 - Shapefile de pontos para representação dos quatro vértices geodésicos presentes na carta. A shapefile deve ter as seguintes características: i. Chamar-se vgeodesicos.shp; ii. Sistema de coordenadas Hayford-Gauss Militar DtLX, como no caso anterior; iii. Deve existir um atributo chamado nome associado ao nome do vértice geodésico (a vermelho na carta); iv. Devem existir dois atributos (X e Y) com as respectivas coordenadas (float, prec. 12, scale 3). Para o preenchimento automático das coordenadas (ex.: X), faça o Calculate Fields sobre a coluna que pretende actualizar; escolha a opção Advanced e coloque: 1ª caixa (VBA Script Code): Dim Resp as Double Dim p as IPoint Set p = [Shape] Resp = p.x e na segunda (nome da coluna=): Resp Não se esqueça de gravar regularmente o ficheiro de projecto. 16
EXERCÍCIO 7 ANÁLISE ESPACIAL Execute as seguintes tarefas: 1. Crie um novo projecto (ex7.mxd), cujo data frame (chamado Layers) use o sist. de coord. militar Datum Lisboa (Lisboa Hayford Gauss IgeoE). 2. Adicione os layers de bacias, concelhos, hidrografia e mon_qualidade que estão D:\...\data\shapes\, verificando se há sobreposição correcta. Nota: Pode precisar de associar o sist. de coord. apropriado aos CDG que não o tenham atribuído (ArcToolbox Data Management Tools Projections and Transformations Define Projection), escolhendo Datum 73 Hayford Gauss IPCC se o CDG parecer ter esse sistema. 3. Crie uma layer dos distritos a partir do layer dos concelhos: use para tal a operação de análise espacial adequada (ArcToolbox Data Management Tools Generalization Dissolve), gravando-a em D:\...\data\shapes\. Responda agora às seguintes perguntas, para as quais terá de executar algumas operações de análise espacial: 1. Indique qual a área (em hectares) que cada distrito tem na bacia do rio Tejo. Crie uma layer que apenas contenha essas zonas, com uma coluna na tabela de atributos para esse valor de área (float, 12, 3). 2. Quantas estações de medição da qualidade da água estão a menos de 2000 m do rio Mondego? 3. Suponha que o caudal do Mondego vai aumentar e em consequência desse aumento é necessário desmatar uma faixa de 300 m para cada lado do Mondego e de todo os seus afluentes «mais importantes». Sabe-se que na tabela os afluentes «mais importantes» do rio Mondego têm um código que começa por 701. Indique quais os concelhos onde irá ser realizada a desmatação e qual a área a desmatar em cada um desses concelhos. Grave regularmente o ficheiro de projecto. EXERCÍCIO 8 ANÁLISE ESPACIAL VECTORIAL Crie no projecto anterior (ex7.mxd) um novo data frame (Insert Data Frame). Adicione os layers u_solo_a.shp e u_solo_b.shp. ambos localizados em D:\...\data\shapes\. Cada layer tem um campo denominado VALOR. 17
1. Crie um novo layer que corresponda à união destes dois layers, mas de tal maneira que o layer criado tenha uma coluna na tabela de atributos, denominada VALOR, que deve: conter o valor do layer de origem onde não haja sobreposição de layers; ter a média dos valores dos dois layers no caso contrário. 2. Execute a operação de identidade (u_solo_a id u_solo_b) à custa de uma sequência de operações ArcGIS. 3. Sobre o resultado da alínea anterior execute a operação de eliminação (uma fusão dos polígonos muito pequenos - defina uma área mínima à sua escolha). EXERCÍCIO 9 ANÁLISE DE REDES 1. Inicie o ArcCatalog; escolha o CDG vias_dt73. i. Com o botão direito do rato faça New Network Dataset. ii. Aceite as opções de conectividade e viragens (turns). iii. Na janela que indica Specify the attributes for the network dataset acrescente um novo atributo chamado Compr, do tipo Cost, medido em metros iv. Em Evaluators indique a forma como o custo Compr é calculado: através da coluna (field) LENGTH; o custo é igual em ambos os sentidos 2. Crie um novo projecto (ex9.mxd) em D:\<nome da disciplina>. 3. Adicione o CDG da rede viária de Portugal Continental. Active a extensão Network Analyst. Calcule a extensão do caminho mais curto entre as localidades de Lagoa (Algarve) e Mafra. 4. Verifique se o caminho calculado coincide com o caminho mais rápido entre as duas localidades. EXERCÍCIO 10-ANÁLISE ESPACIAL VECTORIAL Considere para todo o exercicio as seguintes shapefiles em d:\...\data\shapes: Fregs.shp delimitação das freguesias de Lisboa; Esp_verde.shp jardins de Lisboa; Rede_viaria.shp ruas de Lisboa; Metro.shp estações da rede de metropolitano de Lisboa. 18
Com base na informação disponibilizada, resolva as seguintes questões: 1. Identifique a freguesia de Lisboa com maior área de espaço verde existente. Apresente os resultados para valores absolutos (em ha). Descreva o método utilizado nos cálculos. 2. Qual o valor de espaço verde per capita para essa ou essas freguesias (em m 2 /hab). 3. Suponha que pretende encontrar o maior espaço verde na cidade de Lisboa que apresente as seguintes caracteristicas: Ter acesso por avenida até 175 m (e apenas por avenida); Localizar-se mesmo que parcialmente numa freguesia de elevada densidade populacional (valor superior à média da cidade); Ter uma parte situada a menos de 500 m de uma estação de metro. Descreva o método utilizado nos cálculos. EXERCÍCIO 11 MDT+ AN. ESP. MATRICIAL Considere a grid DTM_1985 localizada em d:\...\data\grids que representa um modelo digital de terreno para uma determinada zona no Alentejo. Indique, na zona do MDT anteriormente referido, quais as áreas onde poderá ser implantada uma infraestrutura de turismo rural tendo em conta as seguintes limitações de implantação, a verificar em simultâneo: declive inferior a 5 % (slope) exposto a sudoeste, sul ou sudeste (aspect) área total superior a 1 hectare (1 ha = 10000 m 2 ) cota inferior a 285 m ArcToolbox: Spatial Analyst Tools -> Surface EXERCÍCIO 12 MDT+ MOD. HIDROLÓGICA Considere a grid DTM_1985 usada no exercício anterior. Empregue as funções de modelação hidrológica para determinar as linhas de água principais, utilizando o critério de área de drenagem mínima de 500 células. Não se esqueça de fazer o pit filling no início do processo. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools -> Hydrology EXERCÍCIO 13 SUPERFÍCIES DE CUSTO Considere a grid DTM_1985 usada no exercício anterior e a grid floresta. Construa uma superfície de custo com base na tabela seguinte: 19
V A L O R P A R A A D E C L I V E D E C L I V E D E C L I V E S U P E R F. C U S T O <5% [5%, 10%[ >=10% F L O R E S T A T I P O 1 O U 3 1 3 5 F L O R E S T A T I P O 2 O U 4 2 7 12 Calcule o caminho entre os pontos A e B (shapefile pontosab.shp). EXERCÍCIO 14 INTERPOLAÇÃO Considere o CDG de pontos pontos.shp onde a coluna SPOT contém o valor de altitude de cada ponto. Faça, num novo projecto, uma interpolação para formato matricial de modo a gerar um MDT com resolução espacial de 100 m, pelos seguintes métodos: IDW, com os 12 vizinhos mais próximos IDW, com os 12 vizinhos mais próximos, mas com o CDG perim_lago como barreira IDW, com os 6 vizinhos mais próximos IDW, com os 6 vizinhos mais próximos, mas com o CDG perim_lago como barreira Qual das interpolações resulta na maior amplitude de declives? ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Interpolation EXERCÍCIO 15 VISIBILIDADE Na sequência do exercício anterior, use um dos MDT gerados por interpolação para estimar a percentagem da superfície do lago que é visível a partir do ponto do CDG pontos.shp de maior altitude. Nota: use o CDG de polígonos lago.shp. ArcToolbox: Spatial Analyst Tools Surface Viewshed 20
EXERCÍCIOS EXTRA EXERCÍCIO A Todos a informação necessária para a resolução do exercício está em d:\sig\revisao\dados. A informação produzida no decurso da resolução do exercício deve ser guardada em d:\sig\revisao\resultados. 1. Suponha que se pretende requalificar o lago grande do jardim do Campo Grande com o intuito de o transformar num parque aquático. Sabendo que a dimensão minima aceitável para o respectivo espelho de água é de 1ha (não dê importância às ilhas), verifique se o lago tem a dimensão necessária. Os pontos de controlo para georreferenciar a imagem têm as seguintes coordenadas: A: (x,y) = (111000,199500) B: (x,y) = (111500,199500) C: (x,y) = (111000,199000) D: (x,y) = (111500,-199000) Diga qual o erro médio quadrático encontrado e justifique se este é aceitável. Grave os pontos de controlo como pcxx.txt. Defina o sistema de coordenadas respectivo (Projecção de Gauss, Elipsóide de Hayford, Datum Lisboa Sistema Hayford-Gauss Militar). Descreva a metodologia utilizada. 2. Com base na imagem anterior construa as seguintes shapefiles: - Eixos_via_alvalade.shp correspondendo aos seguintes arruamentos: - Avª da Igreja; Avª do Brasil; Avª de Roma; Campo Grande e Rua envolvente ao Hospital Júlio de Matos. Estes arrumamentos devem formar apenas três quarteirões e deve garantir a conectividade entre todos os eixos. Calcule a extensão de arrumamentos construída e identifique cada um deles com o respectivo nome. 21
- Quarteiroes_alvalade.shp correspondendo aos três quarteirões definidos pelos arrumamentos anteriores. Calcule a posição (x,y) para o centróide do Hospital Júlio de Matos Descreva a metodologia usada. 3. Considere os seguintes dados: Fregs.shp delimitação das freguesias de Lisboa; Esp_verde.shp jardins de Lisboa; Rede_viaria.shp ruas de Lisboa; a) Identifique o maior espaço verde existente na cidade de Lisboa que apresente as seguintes caracteristicas: Ter acesso por avenida até 300m (e apenas por avenida); Localizar-se mesmo que parcialmente numa freguesia de elevada densidade populacional (densidade superior à média da cidade); Descreva o método utilizado nos cálculos. b) Suponha que pretende urbanizar na totalidade o espaço verde identificado na alínea anterior. O novo loteamento prevê um índice de construção de 30 fogos/ha. Calcule a população estimada para essa área admitindo que cada fogo é ocupado por 2,8 habitantes EXERCÍCIO B Considere as grids DTM_1943 e DTM_1985 localizadas em D:\SIG\data\grids\. Ambas representam modelos digitais de terreno para a mesma zona. 1. Calcule qual o volume de erosão e de depósito na área coberta pelo MDT entre 1943 e 1985. 2. Indique, na zona do MDT anteriormente referido, quais as áreas onde poderá ser implantado uma infra-estrutura de turismo rural tendo em conta as seguintes limitações de implantação: - declive inferior a 5 % - exposto a Sul 22
- área total superior a 1 ha - a menos de 6000 mts de uma estrada - cota inferior a 285 mts 23