T O P O G R A F I A GIS E Profº. Marco A. G. Pontes Sorocaba / SP 2002 SUMÁRIO
Página Resumo... 4 1 DEFINIÇÃO DE...5 2 INTRODUÇÃO... 6 3 TRADUZINDO A INFORMAÇÃO GEOGRÁFICA PARA O COMPUTADOR... 7 4 TIPOS DE DADOS EM... 8 4.1 DadosTemáticos... 8 4.2 Dados Cadastrais... 8 4.3 Redes... 9 4.4 Imagens...10 5 UNIVERSO CONCEITUAL...11 5.1 Região Geográfica...11 6 e os GIS s...12 7 POR QUE GEOPROCESASMENTO...13 8 DEFINIÇÃO DE GIS...14 9 O APELO E O POTENCIAL DO GIS...16 10 ÁREA DE APLICAÇÃO...17 11 POR QUE APRENDER GIS...18 BIBLIOGRAFIA...20
LISTA DE FIGURAS Página Figura 1.1 Exemplo de Mapa com informações Geoprocessadas...5 Figura 4.2 Exemplo de Mapa de Informação de PIB...8 Figura 4.3 Planta Cadastral com Informações sobre Rede de Esgoto...9 Figura 4.4 Exemplo de imagem obtida por Satélite da região Amazônica...10 Figura 5.5 Mapa de definição de Região Geográfica...12 Figura 8.6 Área de aplicação do GIS...16 3
RESUMO A sociedade impôs a partir do início do século XX, um ritmo de mudanças em todos os segmentos em que ela participa muito grande. As grandes capitais, as grandes cidades, cresceram de forma desordenada e como estamos ainda num processo de franca expansão e desenvolvimento tecnológico, o homem tem que tomar cuidado para que seu ímpeto não afete o meio ambiente em que vive. Tendo em vista este cenário, várias tecnologias, leis foram criadas para regular este crescimento, planejar a expansão e serviços correlatos para o desenvolvimento das cidades. Dentre estas ferramentas temos estaremos apresentando duas ligadas à ciência da Cartografia, Geodésia, Aerofotogrametria, entre outras, unindo vários conceitos delas e associados com a informática, temos o Geoprocessamento, que devemos salientar, deve ser tratado como uma tecnologia. A outra tecnologia citada e o SIG (Sistema de Informação Geográfica), que foi criada recentemente e já ocupa um lugar muito importante nas empresas de planejamento, operadoras de telecomunicações, empresas de logística, entre outras. Com este trabalho, pretendemos dar noções básicas de como estas tecnologias funcionam e de como podem ajudar o homem a planejar e colocar em prática serviços que tragam benefícios e que ajude a efetuar desperdícios de bens matérias, bens naturais e conseqüente prejuízo para a sociedade. 4
1 Definição de Geoprocessamento É um conjunto de técnicas e metodologias de armazenamento, processamento, automação e utilização de imagens para tomada de decisões. Como o conhecemos hoje, é recente a sua consolidação, porém suas técnicassuporte, como a aerofotogrametria e o sensoriamento remoto têm sua história, teórica e, ao mesmo passo prática, escrita desde mesmo antes dos "grandes computadores" de "grandes capacidades de armazenamento e processamento" surgirem na "face da Terra". A priori, deve-se deixar bem claro que tais técnicas são existentes graças à Cartografia, pois é esta ciência-técnica que trata da coleta de dados, processamento destes e elaborações de projeções, sejam mapas, cartas ou plantas que possam representar lugares. As elaborações de projeções são produtos que servem basicamente para facilitar, esta é a melhor palavra que se tem para designar esta atividade, as várias tomadas de decisão políticas, econômicas, sociais, ambientais, militares, científicas dentre vários outros tipos. Ressalta-se que tal conjunto de ciências e técnicas que chamamos de Cartografia surgiu há mais de 4.000 anos e ainda hoje é indispensável e indissociável a quaisquer atividades ou empreendimentos de quaisquer espécies que se deseja realizar. Figura 1.1 Exemplo de Mapa Digitalizado com informações Geoprocessadas 5
2 - Introdução Trabalhar com geoinformação significa, antes de tudo, utilizar computadores como instrumentos de representação de dados espacialmente referenciados. Deste modo, o problema fundamental da Ciência da Geoinformação é o estudo e a implementação de diferentes formas de representação computacional do espaço geográfico. É costume dizer-se que Geoprocessamento é uma tecnologia interdisciplinar, que permite a convergência de diferentes disciplinas científicas para o estudo de fenômenos ambientais e urbanos. Ou ainda, que o espaço é uma linguagem comum, para as diferentes disciplinas do conhecimento. Apesar de aplicáveis, estas noções escondem um problema conceitual: a pretensa interdisciplinaridade dos GIS`s é obtida pela redução dos conceitos de cada disciplina a algoritmos e estruturas de dados utilizados para armazenamento e tratamento dos dados geográficos. Considere-se, a título de ilustração, alguns problemas típicos: Um sociólogo deseja utilizar um SIG para entender e quantificar o fenômeno da exclusão social numa grande cidade brasileira. Um ecólogo usa o SIG com o objetivo de compreender os remanescentes florestais da Mata Atlântica, através do conceito de fragmento típico de Ecologia da Paisagem. Um geólogo pretende usar um SIG para determinar a distribuição de um mineral numa área de prospecção, a partir de um conjunto de amostras de campo. O que há de comum em todos os casos acima? Para começar, cada especialista lida com conceitos de sua disciplina (exclusão social, fragmentos, distribuição mineral). Para utilizar um SIG, é preciso que cada especialista transforme conceitos de sua disciplina em representações computacionais. Após esta tradução, torna-se viável compartilhar os dados de estudo com outros especialistas (eventualmente de disciplinas diferentes). Em outras palavras, quando falamos que o espaço é uma linguagem comum no uso de SIG, estamos nos referindo ao espaço computacionalmente representado e não aos conceitos abstratos de espaço geográfico. Do ponto de vista da aplicação, utilizar um SIG implica em escolher as representações computacionais mais adequadas para capturar a semântica de 6
seu domínio de aplicação. Do ponto de vista da tecnologia, desenvolver um SIG significa oferecer o conjunto mais amplo possível de estruturas de dados e algoritmos capazes de representar a grande diversidade de concepções do espaço. Nesta perspectiva, este capítulo examina os problemas básicos de representação computacional de dados geográficos. Os conceitos apresentados visam esclarecer as questões básicas do Geoprocessamento: Como representar, em computadores, os dados geográficos? Como as estruturas de dados geométricas e alfanuméricas se relacionam com os dados do mundo real? Que alternativas de representação computacional existem para dados geográficos? Para simplificar a discussão, lidaremos neste capítulo com dados individuais (cada mapa considerado em separados dos demais dados). No próximo capítulo (Modelagem de Dados em Geoprocessamento) estaremos considerando o problema de modelar uma aplicação complexa, incluindo os relacionamentos entre os diferentes tipos de dados. 3 Traduzindo a Informação Geográfica para o Computador Para abordar o problema fundamental da Ciência da Geoinformação (o entendimento das representações computacionais do espaço), estaremos utilizando, neste e em outros capítulos do livro, um arcabouço conceitual para entender o processo traduzir o mundo real para o ambiente computacional: o paradigma dos quatro universos (Gomes e Velho, 1995), que distingue: o universo do mundo real, que inclui as entidades da realidade a serem modeladas no sistema; o universo matemático (conceitual), que inclui uma definição matemática (formal) das entidades a ser representadas; o universo de representação, onde as diversas entidades formais são mapeadas para representações geométricas e alfanuméricas no computador; o universo de implementação, onde as estruturas de dados e algoritmos são escolhidos, baseados em considerações como desempenho, capacidade do equipamento e tamanho da massa de dados. É neste nível que acontece a codificação. 7
4 - Tipos de dados em Geoprocessamento 4.1 Dados 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. Os dados apresentados na figura 4.2 (mapa de vegetação e mapa de declividade) são exemplos de dados temáticos. 4.2 Dados Cadastrais Um dado cadastral distingue-se de um temático, pois cada um de seus elementos é um objeto geográfico, que possui atributos e pode estar associado a várias representações gráficas. Por exemplo, os lotes de uma cidade são elementos do espaço geográfico que possuem atributos (dono, localização, valor venal, IPTU devido, etc.) e que podem ter representações gráficas diferentes em mapas de escalas distintas. Os atributos estão armazenados num sistema gerenciador de banco de dados. Figura 4.2 Exemplo de Mapa com finalidade de informação de PIB 8
4.3 - Redes Em Geoprocessamento, o conceito de "rede" denota as informações associadas a: Serviços de utilidade pública, como água, luz e telefone; Redes de drenagem (bacias hidrográficas); Rodovias. No caso de redes, cada objeto geográfico (e.g: cabo telefônico, transformador de rede elétrica, cano de água) possui uma localização geográfica exata e está sempre associado a atributos descritivos presentes no banco de dados. As informações gráficas de redes são armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-nó: os atributos de arcos incluem o sentido de fluxo e os atributos dos nós sua impedância (custo de percorrimento). A topologia de redes constitui um grafo, que armazena informações sobre recursos que fluem entre localizações geográficas distintas. Figura 4.3 Planta Cadastral com Informações sobre Rede de Esgoto 9
4.4 - Imagens Obtidas por satélites, fotografias aéreas ou "scanners" aerotransportados, as imagens representam formas de captura indireta de informação espacial. Armazenadas como matrizes, cada elemento de imagem (denominado "pixel") tem um valor proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida pela área da superfície terrestre correspondente. A Figura 4.4 mostra uma composição colorida falsa cor das bandas 3 (associada à cor Azul), 4 (Verde) e 5 (Vermelha) do satélite TM-Landsat, para a região de Manaus (AM). Pela natureza do processo de aquisição de imagens, os objetos geográficos estão contidos na imagem, sendo necessário recorrer a técnicas de fotointerpretação e de classificação para individualizá-los. Características importantes de imagens de satélite são: o número e a largura de bandas do espectro eletromagnético imageadas (resolução espectral), a menor área da superfície terrestre observada instantaneamente por cada sensor (resolução espacial), o nível de quantização registrado pelo sistema sensor (resolução radiométrica) e o intervalo entre duas passagens do satélite pelo mesmo ponto (resolução temporal). Figura 4.4 - Exemplo de Imagem via Satélite da região de Manaus 10
5 - O Universo Conceitual Em Geoprocessamento, o espaço geográfico é modelado segundo duas visões complementares: os modelos de campos e objetos (Worboys, 1995). O modelo de campos enxerga o espaço geográfico como uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos a serem observados segundo diferentes distribuições. Por exemplo, um mapa de vegetação descreve uma distribuição que associa a cada ponto do mapa um tipo específico de cobertura vegetal, enquanto um mapa geoquímico associa o teor de um mineral a cada ponto. O modelo de objetos representa o espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis. Por exemplo, um cadastro espacial dos lotes de um município identifica cada lote como um dado individual, com atributos que o distinguem dos demais. Igualmente, poder-se-ia pensar como geo-objetos os rios de uma bacia hidrográfica ou os aeroportos de um estado. Para definir o modelo, seguir-se-ão os seguintes passos: 1. definir as classes básicas do modelo e estabelecer as suas relações, dentro dos princípios de especialização, generalização e agregação; 2. estabelecer como é possível, a partir do modelo, definir um esquema conceitual para um banco de dados geográfico, por especialização das classes básicas. 5.1 Região Geográfica Define-se uma região geográfica R como uma superfície qualquer pertencente ao espaço geográfico, que pode ser representada num plano ou reticulado, dependente de uma projeção cartográfica. A região geográfica serve de suporte geométrico para localização de entidades geográficas, pois toda entidade geográfica será representada por um ponto ou um conjunto de pontos em R. A 11
definição de região geográfica proposta não restringe a escolha da representação geométrica (matricial ou vetorial) associada aos objetos geográficos. Figura 5.5 Exemplo de Mapa de Região Geográfica obtida via Satélite e pós-processado 6 - O Geoprocessamento e os GIS s O geoprocessamento, na verdade, é uma das vertentes evolutivas do sensoriamento remoto, que veio suprir, pode-se assim dizer, a carência de organização e sobreposição de dados referentes a uma região especificamente estudada. Esta técnica é, hoje, de ampla utilização, pois permite associar vários itens a uma mesma projeção, mostrando verdadeiras inter-relações entre atividades de análise em um mesmo espaço físico (compreenda-se tal tipo de análise como vegetação, ocupação humana, organização urbana, rural, hidrografia, etc.). As imagens (informações) são tiradas pelo satélite e recebidas por equipamentos especiais, como mini-antenas parabólicas, e armazenadas em computadores, não necessariamente mainfraimes (computadores de grande 12
porte), com uma boa capacidade de processamento, amplo espaço disponível em disco rígido, onde são guardadas as informações a serem processadas ou mesmo já processadas, bons softwares (programas), como O SPRING, O Arc VIEW e o Arc INFO. Estes, por sua vez, são os conhecidos GIS s, os sistemas de informações geográficas, que são softwares específicos que possibilitam uma "aplicação ou conjunto de aplicações destinadas à criação e exibição de mapas. Em geral, os sistemas de informações geográficas contêm um sistema de exibição (que, às vezes, permite aos usuários exibir mapas com um navegador de Web), um ambiente para criação de mapas e um servidor (computador que gerencia determinados conjuntos de tarefas processadas) destinado ao gerenciamento de mapas e dados para exibição on-line em tempo real" (MICROSOFT PRESS, 1998). Também conhecido como GIS. Há, ainda, a utilização do GPS, do inglês global positioning system, que possibilita a demarcação de pontos pelo estabelecimento de coordenadas exatas do local, com precisão nunca dantes obtida, obtida através de uma rede de satélites orbitais, o que se denomina de georreferenciamento. Os pontos coletados em campo são transferidos para os GIS s e processados da mesma forma que acima citamos. Tal utilização é mais constante em demarcações territoriais fronteiriças, requerendo a presença de um corpo técnico em campo. 7 Por que Geoprocessamento? A coleta de informações sobre a distribuição geográfica de recursos minerais, propriedades, animais e plantas sempre foi uma parte importante das atividades das sociedades organizadas. Até recentemente, no entanto, isto era feito apenas em documentos e mapas em papel; isto impedia uma análise que combinasse diversos mapas e dados. Com o desenvolvimento simultâneo, na segunda metade deste século, da tecnologia de Informática, tornou-se possível armazenar e representar tais informações em ambiente computacional, abrindo espaço para o aparecimento do Geoprocessamento. 13
Nesse contexto, o termo Geoprocessamento denota a disciplina do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para o tratamento da informação geográfica e que vem influenciando de maneira crescente as áreas de Cartografia, Análise de Recursos Naturais, Transportes, Comunicações, Energia e Planejamento Urbano e Regional. As ferramentas computacionais para Geoprocessamento, chamadas de Sistemas de Informação Geográfica (GIS 1), permitem realizar análises complexas, ao integrar dados de diversas fontes e ao criar bancos de dados georeferenciados. Tornam ainda possível automatizar a produção de documentos cartográficos. Pode-se dizer, de forma genérica, Se onde é importante para seu negócio, então Geoprocessamento é sua ferramenta de trabalho. Sempre que o onde aparece, dentre as questões e problemas que precisam ser resolvidos por um sistema informatizado, haverá uma oportunidade para considerar a adoção de um SIG. Num país de dimensão continental como o Brasil, com uma grande carência de informações adequadas para a tomada de decisões sobre os problemas urbanos, rurais e ambientais, o Geoprocessamento apresenta um enorme potencial, principalmente se baseado em tecnologias de custo relativamente baixo, em que o conhecimento seja adquirido localmente. 8 GIS GIS é uma base de dados digitais de propósito especial no qual um sistema de coordenadas espaciais comum é o meio primário de referência. Um GIS requer recursos de: 1. Entrada dos dados a partir de mapas, fotografias aéreas, imagens de Satélites levantamentos de campo, e outras fontes; 2. Armazenamento, recuperação e busca de dados; 14
3. Transformação de dados, análise e modelagem, incluindo estatística espacial; 4. Comunicação dos dados, através de mapas, relatórios e planos. Três observações deveriam ser feitas sobre esta definição: 1 - GIS são relacionados a outras aplicações de banco de dados, mas com uma diferença importante. Toda a informação em um GIS é vinculada a um sistema de referência espacial. Outras bases de dados podem conter informação locacional (como endereços de rua ou códigos de endereçamento postal), mas uma base de dados de SIG usa geo-referências como o meio primário de armazenar e acessar a informação. 2 - GIS integra tecnologia. Entretanto, enquanto outras tecnologias só poderiam ser usadas para analisar fotografias aéreas e imagens de satélite, para criar modelos estatísticos ou para traçar mapas, todas estas capacidades são todas oferecidas conjuntamente no GIS. 3 - GIS, com seu conjunto de funções, deveria ser visto como um processo ao invés de simplesmente como software e hardware. GIS s servem para tomada de decisão.o modo no qual os dados são inseridos, armazenados e analisados dentro de um GIS deve que refletir a maneira pela qual a informação será usada para uma pesquisa específica ou tarefa de tomada de decisão. Ver o GIS como somente um software ou sistema de hardware é perder de vista o papel crucial, tomada de decisão. que ele pode desempenhar em um processo amplo de 15
Figura 8.6 Área de aplicação do GIS 9 - O apelo e o potencial do GIS O grande apelo do GIS surge da sua habilidade em integrar grandes quantidades de informação sobre o ambiente e prover um repertório poderoso de ferramentas analíticas para explorar estes dados. O exemplo anterior exibiu só algumas camadas de mapas relacionadas ao planejamento de transporte urbano. As camadas incluídas seriam muito diferentes se a aplicação envolvesse a modelagem do hábitat de uma espécie em extinção ou as conseqüências ambientais de vazamento de um local de materiais perigosos. Imagine o potencial de um sistema no qual são formadas dúzias ou centenas de camadas de mapas para exibir informação sobre redes de transporte, hidrografia, características de população, atividade econômica, jurisdições políticas, e outras características dos ambientes naturais e sociais. Tal sistema seria valioso em um leque amplo de situações--para planejamento urbano, administração de recursos ambientais, administração de riscos, planejamento de emergência, e assim por diante. A habilidade em separar informação em camadas, e então combiná-las com outras camadas de informação 16
é a razão pela qual o GIS oferece tão grande potencial como ferramenta de pesquisa e apoio à tomada de decisão. 10 - Áreas de Aplicação GIS s são agora extensivamente usados pelos órgãos do governo, em negócios, e pesquisas em um amplo leque de aplicações que incluem análise de recursos ambientais, planejamento de uso do solo, análise locacional, avaliação de impostos, planejamento de infra-estrutura, análise de bens imóveis, marketing e análise demográfica, estudo de hábitat e análise arqueológica. Uma das áreas principais de aplicação era em administração de recursos naturais, inclusive administração de; hábitat de vida selvagem, rios selvagens e cênicos, recursos de recreação, áreas de inundação, pântanos, terras agrícolas, aqüíferos, florestas. Uma das áreas maiores de aplicação tem sido em administração de infraestruturas. Usos para SIG nesta área incluíram; localização de tubos subterrâneos e cabos, balanceamento de cargas em redes elétricas, manutenção e planejamento de infra-estruturas, monitoramento do uso de energia elétrica. 17
Governos municipais, estaduais e federais consideram o SIG particularmente útil em administração. SIG tem sido comumente aplicado em áreas tais como: planejamento e zoneamento, aquisição de terra, política de impacto ambiental, administração da qualidade da água, manutenção de propriedade. Usos mais recentes e inovadores de SIG usaram informação baseada nas vias de circulação urbana. SIG foi considerado particularmente útil em: conferência de endereços, análise de localização ou seleção de local, desenvolvimento de planos de evacuação. O leque de aplicações para GIS está crescendo enquanto os sistemas se tornam mais eficientes, mais comuns, e menos caros. 11 - Por que aprender GIS? O GIS tem se constituído em um ambiente tecnológico valioso para as mais diversas áreas de conhecimento e de atuação sobre os meios físico e social. Dentre as inúmeras aplicações, a nível nacional e internacional, destaque é dado ao planejamento, à agricultura, à análise ambiental, à análise sócio-econômica, e mesmo ao ensino e à pesquisa (MENEGUETTE, 1994). Um primeiro questionamento que poderia ser feito se refere exatamente ao que significa GIS? Para muitos, GIS é uma acrossemia para Geographical Information Systems, mas para a equipe do NCGIA (National Center for Geographical Information and Analysis), um consórcio envolvendo três universidades norte-americanas, GIS significa Geographical Information Science, denotando a existência de um corpo 18
de teoria, além dos aspectos técnicos e tecnológicos envolvidos. Karen Kemp, pesquisadora do NCGIA - Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, uma das responsáveis pelo NCGIA Core Curriculum in GIScience, questiona (KEMP, 1995): por que as pessoas querem, precisam e deveriam aprender sobre GIS? Para aquela autora, as pessoas querem aprender GIS para: obter um emprego logo após a formatura; abraçar uma carreira quando suas profissões se tornarem obsoletas; dominarem a tecnologia que está se tornando parte de seus empregos ou profissões. As pessoas precisam aprender GIS para: tomar decisões sobre as implementações de GIS em suas organizações (ex: políticos, administradores); interagir com o GIS, ou com os produtos dele derivados, sabendo quais são os potenciais e limitações, no apoio à tomada de decisão. Por que as pessoas deveriam aprender GIS? Para KEMP (1995), os educadores têm a responsabilidade de oportunizar aos aprendizes importantes princípios básicos que transcendem a tecnologia por si só. Algumas das questões mais conceituais apontadas são: aprender Cartografia; aprender Geografia; aprender Análise Espacial, aprender Ciência Geográfica. Quem são os aprendizes de GIS, quais suas necessidades e áreas de conhecimento, questiona aquela autora. Em sua opinião, muitas diferentes vocações ou atividades profissionais envolvendo GIS podem ser detectadas, dentre as quais: operadores de sistema; gerentes de sistema; administradores de sistema; desenvolvedores de aplicações; designers de base de dados; usuários de aplicações, pesquisadores. 19
Bibliografia NAMIKAWA, L. M. Um método de ajuste de superfície para grades triangulares considerando linhas características. (Dissertação de Mestrado em Computação Aplicada) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, SP, Brasil, 1995. Câmara, G.; Davis.C.; Monteiro, A.M.; D'Alge, J.C. Introdução à Ciência da Geoinformação. São José dos Campos, INPE, 2001 (2a. edição, revista e ampliada). Câmara, G.; Monteiro, A.M.; Fuks, S.; Camargo, E.; Felgueiras, C. Análise Espacial de Dados Geográficos. São José dos Campos, INPE, 2001 (2a. edição, revista e ampliada). Câmara, G.; Paiva, J.; Casanova, M. Bancos de Dados Geográficos. São José dos Campos, INPE, 2001 (2a. edição, revista e ampliada). Sites sobre Geoprocessamento e GIS Geodecision - Portal sobre geoprocessamento www.geodecision.com Imagens de continentes via satélite www.meto.govt.uk/sec3/satellite.html Imagens de satélite da Terra: Relevo www.fourmilab.ch/cgi-bin/uncgi/earth?opt=-p&img=learth.evif* Revista Eletrônica de Geoprocessamento - Fator GIS www.fatorgis.com.br Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE www.ibge.gov.br Gisweb www.gisweb.com.br 20