dados espaciais - Mundo da Geomatica

UNIVERSIDADE FEDERAL DOS ESPÍRITO SANTO – UFES
CENTRO DE CIÊNCIAS HUMANAS E NATURAIS - CCHN
DEPARTAMENTO DE GEOGRAFIA - DPGEO
LABORATÓRIO DE GEOMÁTICA DA UFES - LGU
Capítulo 1
PROF. ALEXANDRE ROSA DOS SANTOS
Engenheiro Agrônomo - UFES
Mestrado em Meteorologia Agrícola – UFV
Doutorado em Engenharia Agrícola - UFV
Fundamentos Teóricos
O final do século XX, sem sombra de dúvidas, está consagrado como a
era do gerenciamento disciplinado de informações
Sistemas de informações geográficas - SIGs
Tecnologia SIG x Microscópio e Computadores
Por que os dados originais a serem usados nos SIGs devem
ser precisos?
Se o conjunto de dados, originalmente, for constituído de “lixo”,
o produto derivado de operações realizadas em ambiente SIG
será um “lixo” organizado, portanto sem utilidade.
CLIQUE AQUI PARA VER FIGURA
1.1 DADOS ESPACIAIS
Os fenõmenos relacionados ao mundo real podem ser descritos de três
maneiras:
ESPACIAL
TEMPORAL
TEMÁTICA
Logo, estas três maneiras de se
observar
os
fenômenos
que
ocorrem
Quando
as
variações
são
detectadas
através
de
Quando
a
variação
muda
de
lugar
lugar
Quando a variação muda com o para
tempo
na
terra
são,do
mudanças
desuperfície
características
(geologia,
cobertura
(declividade,
altitude,da
profundidade
do
solo)
(densidade
demográfica,
ocupação
solo)
coletivamente, vegetal)
denominadas dados
espaciais (SINTON, 1978)
As descrições dos fenômenos relacionados ao mundo
real podem ser arquivadas ora como dados, ora como
informações
DADOS
INFORMAÇÃO
Conjuntode
dedados
valores
não que
Conjunto
quenuméricos
possui um ou
determinado
significado
paraàum
uso ou aplicação
corresponde
descrição
de fatos em
do
particular, ou seja,
foi agregado
ao dado um
mundo
real
componente adicional, a interpretação
FATORES QUE DISTINGEM OS DADOS ESPACIAIS
DOS DEMAIS DADOS
São relacionados a superfícies contíguas (Ex: superfície
topográfica, variação da temperatura, pressão, etc.)
Cada ponto contém coordenadas X, Y, Z, podendo ter
precisão ilimitada
Dependência espacial, ou seja, a tendência da vizinhança
influenciar uma determinada localização e possuir atributos
similares
Os dados espaciais estão distribuídos sobre a superfície
curva da Terra
Os objetos ou condições do mundo real podem
ser representados, discretamente, por:
PONTOS
NÓS
LINHAS
OU ARCOS
POLÍGONOS
CADEIAS
É um dado
espacial que
não
possui
área,
é representado
Correspondem
ao
início
ou
fim
de
uma
linha,que
ou não
à
São
áreas
definidas
por
uma
seqüência
de
linhas
É
umum
dado
espacial
formado
pordeuma
seqüência
demais
pontos
por
único
par
de
coordenadas
e pode
representar
uma
Representam
um
tipo
especial
linhas
que
correspondem
representação
do
cruzamento
de
duas
ou
se cruzam
e se encontram
em um
nó,ou
como,
por
exemplo,
conectados,
por
exemplo,
estradas
e
rios
determinada
árvore,
uma
fonte
temperatura
aos segmentos
lineares
definem
limites
entre
linhas,litológica
como,
por
exemplo,
rios ou
uma
unidade
ouque
uma
áreafoz
deosde
ocorrência
de
polígonos, oudeterminado
seja,
uma linha
é compartilhada
cruzamento
de que
estradas
tipo
de
solo
por dois polígonos, como por exemplo, limites
entre municípios ou fazendas
CONCEITOS IMPORTANTES
ESCALA: Razão entre o comprimento ou área apresentada no
mapa e o verdadeiro comprimento ou área existente na superfície
da terra.
Ex: Qual o significado escala de 1:50.000?
1cm no mapa = 50.000 cm, 500 m ou 0,5 km na superfície da terra
RESOLUÇÃO ESPACIAL: Conteúdo do domínio geométrico
dividido pelo número de observações, normalizadas pela dimensão
espacial. O domínio geométrico representa a área coberta pelas
observações.
a área do em
Brasil
é de, aproximadamente,
8,5 milhõesnode
Ex21: Se levarmos
consideração
o número de municípios,
2 e existem
km
Estados,
resolução
de umamapa
que
caso
brasileiro
nós26
temos
5.022a(dados
de 1996),
resolução
represente
os Estados
será de: será de:
média de um mapa
que represente
os municípios
área
área
RR 
númerode
deobservaçõe
observaçõess
número
8,5 106 km2
41 km
R
 572
km
5.26
022
Os dados espaciais, em diferentes ESCALAS e
RESOLUÇÕES, podem ser codificados em:
Representações
Analógicas
Representações
Digitais
Codificação
entidades
espaciais
em
Disposição
das das
entidades
espaciais
em papel
linguagem binária, portanto em formato
adequado para serem armazenadas
em computadores
Os processos envolvidos na transformação de dados
analógicos em dados digitais são, coletivamente,
conhecidos como:
CAPTURA
DE DADOS
ESCANERIZAÇÃO
DIGITAÇÃO
MANUAL
OBS
os dados
espaciais
correspondem
uma
OBS
manual
é ainda
amplamentesempre
usada,apelo
2:Como
1: a digitação
generalização
ou aproximação
da realidade,
elesdos
contêm
fato, da escanerização
depender
da qualidade
mapas
INCERTEZAS
IMPRECISÕES
originais entree outros
fatores.
As fontes de dados espaciais podem ser
consideradas como:
PRIMÁRIAS
SECUNDÁRIAS
Correspondem àquelas medidas
diretamente no campo
Correspondem àquelas derivadas
de mapas e banco de dados
persistente
Representação VETORIAL e representação
RASTER ou MATRICIAL
QUAL A DIFERENÇA ENTRE TECNOLOGIA
E GEOTECNOLOGIA ????
TECNOLOGIA
GEOTECNOLOGIA
OBS
É a ciência dos meios (SCRUTON,
1982)
É a arte e a técnica de estudar a
superfície da terra e adaptar as
informações às necessidades dos
meios físicos, químicos e biológicos
Fazem parte da geotecnologia o Processamento
Digital de Imagens (PDI), a Geoestatística e os
SIGs
ALGUNS PARADIGMAS DA GEOGRAFIA
(BUZAI & DURAN, 1997)
Fim do séc. XIX
Início do séc. XX
1939
GEOGRAFIA
COMO CIÊNCIA
HUMANA
(Ratzel)
GEOGRAFIA
REGIONAL
(P. V. de la
Blache)
ATUALIZAÇÃO
DA GEOGRAFIA
REGIONAL
(Hartsthone)
Fim do séc. XIX
GEOGRAFIA
QUANTITATIVA
(Bunge)
Início do séc. XX
GEOGRAFIA
RADICIAL
(Vertente humanista)
(Tuan)
1990
GEOTECNOLOGIA
1939
GEOGRAFIA
RADICIAL
(Harvey)
1.2. OS SUPORTES DOS SIGs
Por que os SIGs é considerado uma ciência
MULTIDISCIPLINAR ???
Por que para atenderem às expectativas dos usuários e
à demanda da sociedade, necessitam de apoio de vários
campos do conhecimento humano, sendo eles:
CIÊNCIA DA
COMPUTAÇÃO
GERENCIAMENTO
DAS INFORMAÇÕES
CARTOGRAFIA
GEODÉSIA
FOTOGRAMETRIA
TOPOGRAFIA
PROCESSAMENTO
DIGITAL DE IMAGENS
GEOGRAFIA
CUSTO
COMPLEXIDADE
EVOLUÇÃO DAS RELAÇÕES DE CUSTO, TEMPO E
COMPLEXIDADE ENTRE SOFTWARE E
HARDWARE
TEMPO
TEMPO
CARTOGRAFIA: Conjunto de operações científicas, artísticas e
técnicas produzidas a partir de resultados de observações diretas
ou de explorações de documentação, tendo em vista a elaboração
de cartas e plantas.
MAPA: Segundo a ABNT, mapa é a “representação gráfica em,
geral, em superfície plana, numa determinada escala, com a
Representação de acidentes físicos e culturais da superfície da
Terra, de um planeta ou de um satélite”.
QUAL O MAPA MAIS ANTIGO QUE SE TEM NOTÍCIA??
É o mapa de Ga-Sur, feito na Babilônia. Era
um tablete de argila cozida com tamanho de
7 cm x 8 cm, datado aproximadamente de
2400 a 2200 a.C. Representava um vale,
presumivelmente o do rio Eufrates, e foi
concebido para resolver problemas
militares
CARTAS: “Representação dos aspectos naturais e artificiais da
Terra, destinadas a fins práticos da atividade humana, permitindo
a avaliação precisa de distâncias, direções e localizações.
MAPAS TEMÁTICOS: São mapas específicos, como mapas de
de solos, de rochas etc., que possuem características determinadas.
O tema pode ser:
Qualitativo
Quantitativo
MAPAS
Profundidade
do
lençol
freático,
Classes
de
solo
POLITEMÁTICOS
espessura
de solos etc.
Mostram informações qualitativas e quantitativas sobre
mapas, por exemplos, mapas de solo mostrando o
resultado da produção agrícola.
DEFINIÇÕES IMPORTANTES
GEODÉSIA
Observa e mede a forma e o tamanho do planeta Terra
ou parte dele e determina a exata localização dos pontos
sobre a superfície.
FOTOGRAMETRIA
É a ciência que produz medidas confiáveis através da
Fotografia, normalmente aérea, sendo utilizadas em
Mapeamentos e levantamentos.
TOPOGRAFIA
Fornece técnicas para determinar a área de qualquer
porção da superfície terrestre, além de comprimento e
direção de linhas e o contorno de superfície.
SENSORIAMENTO Tecnologia que obtém medidas de objeto sem tocá-lo
fisicamente e oferece um vasto arsenal de produtos
REMOTO
caracterizados por imagens de diferentes resoluções
espaciais e espectrais.
ALGUMAS APLICAÇÕES DOS SIGs
Planejamento urbano
Engenharia civil
Governo
Segurança
Infra-estrutura
Vigilância sanitária
Detalhes da aplicação
Os
engenheiros
civis necessitam
AAenorme
quantidade
de infravigilância
sanitária
pode
ser
Planejadores
urbanos
necessitam
planejar
canais
ede
estrutura,estradas,
como
gás,
gerenciada
através
do uso
O
departamento
de água,
polícia
precisa
deOs
informações
detalhadas
sobre
governos
precisam
saber
barragens
etelefonia,
estimar
oesgoto
custo a
eletricidade
geografia
em
processos
saber
os
níveis
de
segurança
a distribuição
da terra
e recursos
distribuição
espacial
dos
hospitais,
de
remoção
de
terra
e lixo,
Necessita
ser como
registrada
epidemiológicos,
foi
das
cidades
nas cidades
das escolas,
da
segurança
e gerenciada.
utilizada
na Inglaterra no
século XIX.
OUTRAS APLICAÇÕES
DEFINIÇÕES IMPORTANTES
SISTEMA
É o conjunto de elementos entre os quais
haja alguma relação. Um exemplo é o ônibus,
pois todos os componentes atuam juntos para
proporcionar um meio de transporte ágil e seguro.
INFORMAÇÕES
Correspondem à derivação da interpretação de
dados, os quais são representações simbólicas
de certas características (BENYON, 1990)
SISTEMA DE
INFORMAÇÕES
É uma cadeia de operações que nos remete a
planejar a observação e a coleção de dados,
para armazená-los, analisá-los e usar as
informações derivadas em algum processo
de tomada de decisão (CALKINS &
TOMLINSON, 1977)
1.3. Definição de SIG
Ducker
(1979)
DOE
(1979)
Hanigan
(1988)
Ozemoy, Smith e
Sicherman (1981)
Smith et
al.(1987)
Aronoff
(1989)
Burrough
(1981)
Parker
(1988)
Carter
(1989)
Goodchild
(1991)
Devine e
Field (1981)
Cowen
(1988)
FICC
(1988)
Koshkariov, Tikunov e
Trokimov (1989)
Opershaw
(1987)
Parent
(1988)
Star e Estes
(1990)
DEFINIÇÃO
COMPLETA
Os SIGs necessitam usar o meio digital, portanto o uso intensivo da
informática
é imprescindível;
deve
existir uma no
base
de o
dados
Um
caso
especial
de
sistemas
de
informações,
qual
banco de
Um integrada,
elenco deestes
funções
automáticas
quegeo-referenciados
fornece aos profissionais,
dados
precisam estar
e com
dados
consiste
em informaçõeso sobre
características
distribuídas
com
avançada
armazenamento,
recuperação,
controle
de erro; capacidade,
devem conter funções
de análises destes
dados
espacialmente,
atividades
e eventos,
osde
quais
definidos
no
manipulação
e exibição
dados
que variem de álgebra
cumulativa
(operações
tipo são
soma,
subtração,
espaço
como
pontos,
linhas
ou áreas. (operações
geograficamente
definidos.
multiplicação,
divisão
etc) até
álgebra
não cumulativa
lógicas)
1.4. Inter-relações entre SIG, CADD, SGBD, SMDE e SR
CADD: O CADD (Projetos de desenhos assistidos por computador) foi
concebido para desenhar objetos e possui ligações rudimentares com
banco de dados (NEWELL & THERIAULT, 1990). Estes sistemas
possuem poucas informações sobre topologia.
SGBD: O SGBD (Sistemas de Gerenciamento de Banco de Dados)
são aplicativos otimizados para armazenar e recuperar dados não
gráficos.
SR: O SR (Sensoriamento Remoto) é definido como um conjunto de
técnicas que tem como objetivo específico medir características físicas
de um objeto sem tocá-lo.
SMDE: O SMDE (Sistemas de Modelos Digital de Elevação)
representam os dados espaciais de forma contínua em um espaço
geográfico determinado.
TODOS ESSES SISTEMAS SÃO PRECUSORES DOS SIGs
E SÃO, DE CERTA FORMA, INTER-RELACIONADOS
VEJA FIGURA
SGBD
SMDE
SIG
CADD
SR
Inter-relações entre as tecnologias
SGBD, SMDE, SR, CADD e SIG
Os elementos básicos de um SIG são:
Os equipamentos
HARDWARE
Os aplicativos
SOFTWARE
O pessoal especializado
O banco de dados
PEOPLEWARE
DATAWARE
Obs: 70% do custo de implementação de um SIG refere-se à
montagem de uma base de dados
Os aplicativos tem sido gerados a partir
de três vertentes
Processamento de arquivos: Cada elenco de dados e funções
é armazenado como um arquivo separado, e todos são ligados
durante operações analíticas. Ex: GRASS e IDRISI.
Idrisi32
Modelo híbrido: Os dados não espaciais são armazenados em
Um sistema de gerenciamento de banco de dados e, em sepaado,
Um programa é acionado para analisar os dados geográficos. Ex:
Arc/INFO, ArcMap e o REGIS.
ArcMap
Expansão gráfica: Tanto os dados geográficos quanto os dados
não espaciais são armazenados em SGBD, o qual é estendido para
fornecer apropriadas funções analíticas. Ex: TIGRIS e SYSTEM9.
Questões básicas a serem respondidas por um
SIG (modificado de RHIND, 1990)
LOCALIZAÇÃO
O que está em...?
CONDIÇÃO
Onde está...?
TENDÊNCIA
O que mudou...?
ROTA
Qual o melhor caminho...?
PADRÃO
Qual a melhor variável...?
SIMULAÇÃO
Ocorrendo um evento...
MODELAMENTO
Se ocorrer...
Objetivos suplementares de um SIG:
Produzir mapas de maneira muito mais rápida
Baratear o custo de produção de mapas
Facilitar a utilização de mapas
Produzir mapas mais elaborados
Possibilitar a automação da atualização e revisão
Revolucionar a análise quantitativa de dados espaciais
Os principais tipos de saídas de um
SIG são:
TEXTOS
GRÁFICOS
DADOS
DIGITAIS
OUTROS
Dados para serem transmitidos via rede
Tabelas,
listas,
números
frases
em
ou
serem
armazenados
em
Sons
e
imagens
em
2,5-D
Mapas, imagens no monitor
resposta
a meios
determinadas
perguntas
determinados
magnéticos
ou
óticos
1.5. Introdução aos computadores
Os dados no ambiente dos computadores são codificados,
manipulados e armazenados para serem usados
sob duas condições, por exemplo:
sim/não
aberto/fechado
ligado/desligado
falso/verdadeiro
Na terminologia dos computadores, as duas condições
são representadas por notações binárias através
do uso de 1 (um) e 0 (zero)
Cada dígito binário é chamado de bit e a complexidade dos circuitos dos
computadores é sempre descrita em termos de número de bits que pode
ser transmitido simultaneamente
OBS21: Um
grupo deos
8 bits
é chamado de
byte, que
é a unidade
padrão
de
Atualmente,
computadores
pessoais
(personal
computer
– PC)
medida
nosbits.
computadores.
usam 8,de
16,dados
32 e 64
Para a notação binária, os 8 bits são numerados de 0 até 7 a
partir da direita, assim o número 255 e 0 são representados
por 111111111 e 00000000, respectivamente.
EXEMPLO PRÁTICO
Qual o significado dos dígitos binários 01001011?
27  0  26  1  25  0  24  0  23  1  22  0  21  1  20  1
=7510
Ou
" não 128" , " sim 64" , " não 32" , " não 16" , " sim 8" , " não 4" , " sim 2" , " sim 1"
64  8  2  1 =7510
Definições importantes
Hardware: Refere-se a qualquer dispositivo físico como parte de
um sistema computacional. Compõem-se essencialmente de:
Unidade central de processamento - CPU
Unidades de armazenamento
Monitores
Plotters
Impressoras
Scanners
Exemplos
As principais uniidades de armazenamento
A CPU
recebe
as instruções
e as
executa
são
discos
magnéticos
e discos
óticos:
processando
dados
conforme
foi
Disquetes:
1,4
Mb os
Clique
aqui
para
ver
por
umdeprograma
em
Fitasestabelecido
de áudio digital
(DAT)
4 mm e 8 mm:
Figuras
2 particular
a 8 Gb
e é o elemento fundamental
Fitas streamers:
60 a computador.
150 Mb.
de um
Disco Rígido (HD): 100 Mb a 100 Gb
DISCOS
MICROPROCESSADOR
DISPOSITIVOS DE ENTRADA
Os SIGs são usualmente aceitos como sendo uma tecnologia
que possui o ferramental necessário para realizar análises com
dados espaciais e, portanto, oferece, ao ser implementada,
alternativas para o entendimento da ocupação e utilização do
meio físico, compondo o chamado universo da GEOTECNOLOGIA,
ao lado do Processamento Digital de Imagens (PDI) e da
Geoestatística
A TECNOLOGIA SIG está para as análises geográficas,
assim como o MICROSCÓPIO, o TELESCÓPIO e os
COMPUTADORES estão para outras ciências (Geologia,
Astronomia, Geofísica, Administração, entre outras
LIXO
LIXO
Se os dados originais forem imprecisos, o produto
final será um “lixo” organizado.
A definição apropriada para dados espaciais é que
são elementos definidos pelas variáveis X, Y e Z,
possuem localização no espaço e estão relacionados
a determinados Sistemas de Coordenadas, como, por
exemplo, a projeção de Mercator, longitude-latitude, e
que a eles podem estar associadas infinitas
características ou atributos. Assim, a um determinado
dado espacial podem estar relacionado, por exemplo,
temperatura, tipo de rocha, solo, vegetação,
porosidade, profundidade, ou seja, um número infinito
de variáveis
Planejamento
Gerenciamento
Territorial
Engenharia
Florestal
Arquitetura
Aquisição
Estruturação
e armaz.
de Dados
de Dados
Seleção de
locais para
Empreendimentos
Geração NÚCLEO
Análise
de
DO SIG Ambiental
informação
Planejamento
Militar
Gerenciamento
de
Infra-Estrutura
Análise
Ambiental
Gerenciamento
Gerenciamento
de Recursos
Hídricos
Geologia
e
Geofísica