João Araujo Ribeiro

Geomática

Baseado no Livro de Gilberto Câmara “Fundamentos do Geoprocessamento”
http://www.ufpa.br/sampaio/curso_de_sbd/sig/cap02-conceitos.pdf

O que é trabalhar com Geoinformação?

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.

a pretensa interdisciplinaridade dos SIGs é obtida pela redução dos conceitos de cada disciplina a algoritmos e estruturas de dados utilizados para armazenamento e tratamento dos dados geográficos.

• Um sociólogo deseja utilizar um SIG para entender e quantificar o fenômeno da exclusão social numa grande cidade.
• Um ecólogo usa o SIG para 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.

• Cada especialista lida com conceitos de sua disciplina
• Para utilizar um SIG, é preciso que cada especialista transforme conceitos de sua disciplina em representações computacionais.

• É o espaço computacionalmente representado e não os conceitos abstratos de espaço geográfico.

utilizar um SIG implica em escolher as representações computacionais mais adequadas para capturar a semântica de seu domínio de aplicação

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.

Como traduzir o mundo real para computador?

• o universo do mundo real
• o universo matemático (conceitual)
• o universo de representação
• o universo de implementação

Inclui as entidades da realidade a serem modeladas no sistema;

É onde encontram-se os fenômenos a serem representados (tipos de solo, cadastro urbano e rural, dados geofísicos e topográficos);

Inclui uma definição matemática (formal) das entidades a ser representadas;

Pode-se distinguir entre as grandes classes formais de dados geográficos (dados contínuos e objetos individualizáveis) e especializar estas classes nos tipos de dados geográficos utilizados comumente (dados temáticos e cadastrais, modelos numéricos de terreno, dados de sensoriamento remoto);

onde as diversas entidades formais são mapeadas para representações geométricas e alfanuméricas no computador;

as entidades formais definidas aqui são associadas a diferentes representações geométricas, que podem variar conforme a escala e a projeção cartográfica escolhida e a época de aquisição do dado.

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.

é onde ocorre a realização do modelo de dados através de linguagens de programação

Com base nesta visão, as dicotomias tradicionais de Geoprocessamento (campos-objetos e matricial-vetorial) podem ser resolvidas, mostrando-se que elas se encontram em níveis distintos de abstração.

Esta análise também indica que a interface de usuário de um SIG deve, tanto quanto possível, refletir o universo conceitual e esconder detalhes dos universos de representação e implementação.

No nível conceitual, o usuário lida com conceitos mais próximos de sua realidade e minimiza a complexidade envolvida nos diferentes tipos de representação geométrica.

Como medir o mundo real?

para ser representada em ambiente computacional, temos de associar a cada tipo de informação geográfica uma escala de medida e de referência, que será utilizada pelo GIS para caracterizá-lo.

As propriedades não são intrínsecas aos objetos, mas são obtidas a partir de medidas.

a representação de um objeto geográfico num GIS dependerá da escala que utilizarmos.

As regras de medida podem ir deste a simples atribuição do valor 0 ou 1 para as amostras (0 = sêco, 1 = úmido), até um conjunto de valores extraídos dos números reais (23.3°C, 24.5°C, 28.1°C,….)

a forma de se medir as variáveis do mundo real afeta seus modos de manipulação.

Stevens (1951) propõe quatro escalas de mensuração:

• nominal (temático),
• ordinal (temático),
• intervalo
• e razão.

baseia-se na diferenciação entre os objetos segundo classes distintas: classes de solo, classes de rocha, classes de cobertura vegetal.

Uma característica comum dos níveis binário e nominal é que a classificação dos eventos é feita sem nenhuma ordem inerente e serve apenas para diferenciá-los.

atribui valores ou nomes para as amostras, mas gera um conjunto ordenado de classes, baseado em critérios como tamanho (maior do que, menor do que), altura ( 1 = baixo, 2 = médio, 3 = alto), etc.

Ex. Dados temáticos de classes de drenagem e de erosão.

Uma característica importante dos níveis de medidas temáticas, é que elas não determinam magnitude.

O ponto de referência zero é definido de forma arbitrária, permitindo a atribuição de valores negativos, e positivos [-∞,0,+∞], para as amostras.

O equador e o meridiano de Greenwich, usados com referência na determinação de posições sobre a superfície da Terra é um exemplos de referência zero arbitrária e a localização geográfica em latitude/longitude é exemplos de variáveis descritas no nível de medida por intervalo.

O ponto de referência zero não é arbitrário, mas determinado por alguma condição natural.

a descrição de atributos como o peso, a distância entre dois pontos, a área e o volume de objetos, não faz sentido físico valores negativos, sendo a ausência destes atributos o ponto de origem zero na escala de medida correspondente.

As medidas temáticas e as numéricas por intervalo não devem ser usadas diretamente em expressões matemáticas.

Entretanto, na prática, os modelos ambientais combinam valores por razão com valores por intervalo.

Entretanto, na prática, os modelos ambientais combinam valores por razão com valores por intervalo.

• DADOS TEMÁTICOS
• DADOS CADASTRAIS
• REDES
• MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO
• IMAGENS

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.

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.

Exemplo de dado cadastral

No caso de redes, cada objeto geográfico (e.g: cabo telefônico, transformador de rede elétrica, cano de água) possui uma localização geográfica exata

As informações gráficas de redes são armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-nó

O termo modelo numérico de terreno (ou MNT) é utilizado para denotar a representação quantitativa de uma grandeza que varia continuamente no espaço.

• Armazenamento de dados de altimetria para gerar mapas topográficos;
• Análises de corte-aterro para projeto de estradas e barragens;
• Cômputo de mapas de declividade e exposição para apoio a análises de geomorfologia e erodibilidade;
• Análise de variáveis geofísicas e geoquímicas;
• Apresentação tridimensional (em combinação com outras variáveis).

Um MNT pode ser definido como um modelo matemático que reproduz uma superfície real a partir de algoritmos e de um conjunto de pontos (x, y), em um referencial qualquer, com atributos denotados de z, que descrevem a variação contínua da superfície.

isolinhas de topografia

Obtidas por satélites, fotografias aéreas ou “scanners” aerotransportados, as imagens representam formas de captura indireta de informação espacial.

cada elemento de imagem (denominado “pixel”) tem um valor proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida pela área da superfície terrestre correspondente.

composição colorida TM/lANDSAT para a região de Manaus

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.

• Resolução espectral
• resolução espacial
• resolução radiométrica
• resolução temporal

o número e a largura de bandas do espectro eletromagnético imageadas

a menor área da superfície terrestre observada instantaneamente por cada sensor

o nível de quantização registrado pelo sistema sensor

o intervalo entre duas passagens do satélite pelo mesmo ponto

o espaço geográfico é modelado segundo duas visões complementares: os modelos de campos e o de objetos

Enxerga o espaço geográfico como uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos a serem observados segundo diferentes distribuições.

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.

Representa o espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis.

Um cadastro espacial dos lotes de um município identifica cada lote como um dado individual, com atributos que o distinguem dos demais.

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.

É 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.

Um geo-campo representa a distribuição espacial de uma variável que possui valores em todos os pontos pertencentes a uma região geográfica, num dado tempo t.

Múltiplas representações de um mesmo geo-campo podem significar a variação de uma dada variável no tempo t1 ,t2 ,…,tN−1 .

torna-se possível representar as diferentes cronologias de alguns temas, tais como as mudanças no uso e cobertura do solo, a sazonabilidade da vegetação ou a dinâmica das variáveis climáticas.

1. TEMÁTICO
2. NUMÉRICO
3. DADO_SENSOR_REMOTO

dada uma região geográfica R, um geo-campo temático associa a cada ponto do espaço um tema de um mapa (p.ex. um geo-campo de vegetação é caracterizado pelo conjunto de temas {floresta densa, floresta aberta, cerrado, …});

dada uma região geográfica, um geo-campo numérico associa, a cada ponto do espaço, um valor real (p. ex. um mapa de campo magnético ou mapa de altimetria);

esta classe é uma especialização de NUMÉRICO, obtida através de discretização da resposta recebida por um sensor (passivo ou ativo) de uma área da superfície terrestre.

Geo-campo temático (solos)

é um elemento único que possui atributos não-espaciais e está associado a múltiplas localizações geográficas. A localização pretende ser exata e o objeto é distinguível de seu entorno.

Esta definição tem três grandes motivações adicionais:

• As projeções cartográficas
• Representações geométricas em diferentes escalas
• Múltiplas representações temporais

a projeção planar da Terra, a partir de escalas macroregionais, é feita com o uso de quadrículas que estão particionadas em sistemas de referência independentes que definem recortes arbitrários no espaço e podem dividir a localização de um geo-objeto.

um particionamento cartográfico da Amazônia na projeção UTM, escala 1:250.000, faz com que os principais rios tenham representações geométricas descontínuas em vários mapas;

na prática, num mesmo banco de dados geográfico, podem conviver representações da mesma realidade geográfica em diferentes escalas geográficas.

as diferentes representações de um mesmo objeto podem corresponder a variações temporais do mesmo, como no caso de um lago que teve suas bordas alteradas

Em muitas situações é conveniente permitir a associação de informações não- espaciais a um banco de dados georeferenciado.

a noção de objeto não-espacial engloba qualquer tipo de informação que não seja georeferenciada e que se queira agregar a um SIG.

No universo de representação, definem-se as possíveis representações geométricas que podem estar associadas às classes do universo conceitual.

• REPRESENTAÇÃO VETORIAL
• e REPRESENTAÇÃO MATRICIAL.

Qualquer entidade ou elemento gráfico de um mapa é reduzido a três formas básicas: pontos, linhas, áreas ou polígonos.

consiste no uso de uma malha quadriculada regular sobre a qual se constrói, célula a célula, o elemento que está sendo representado.

o espaço é representado como uma matriz P(m, n) composto de m colunas e n linhas, onde cada célula possui um número de linha, um número de coluna e um valor correspondente ao atributo estudado

É dada pela relação entre o tamanho da célula no mapa ou documento e a área por ela coberta no terreno.

• GRADE REGULAR
• IMAGEM EM TONS DE CINZA
• IMAGEM TEMÁTICA
• IMAGEM SINTÉTICA

A localização e a aparência gráfica de cada objeto são representadas por um ou mais pares de coordenadas.

Consideram-se três elementos gráficos: ponto, linha poligonal e área (polígono).

Existem algumas variações com relação à adaptação dos vetores à realidade, ou seja, considerando a forma com que estes objetos ocorrem na natureza.

• Objetos isolados,
• objetos aninhados
• ou objetos adjacentes

Ocorre no caso em que os objetos da mesma classe em geral não se tocam. Por exemplo, edificações, piscinas ocorrem isoladamente, não existindo segmentos poligonais compartilhados entre os objetos.

O caso típico é o de curvas de nível e todo tipo de isolinhas, em que se tem linhas que não se cruzam, e são entendidas como estando “empilhadas” umas sobre as outras.

exemplos típicos são todas as modalidades de divisão territorial: bairros, setores censitários, municípios e outros

• isolados,
• em árvore e
• em rede

Ocorrem, por exemplo, na representação de muros e cercas em mapas urbanos.

Podem ser encontrados nas representações de rios e seus afluentes, e também em redes de esgotos e drenagem pluvial.

Nos casos de redes elétricas, telefônicas, de água ou mesmo na malha viária urbana e nas malhas rodoviária e ferroviária.

Seja no caso de objetos de área ou no caso de objetos de linhas, quando queremos armazenar explicitamente as relação de adjacência, utilizamos formas específicas de representação vetorial

A topologia arco-nó é a representação vetorial associada a um rede linear conectada. Um nó pode ser definido como o ponto de intersecção entre duas ou mais linhas, correspondente ao ponto inicial ou final de cada linha. Nenhuma linha poderá estar desconectada das demais para que a topologia da rede possa ficar totalmente definida.

uma rede de distribuição elétrica

A topologia arco-nó-polígono é utilizada quando se quer representar elementos gráficos do tipo área. Seu objetivo é descrever as propriedades topológicas de áreas de tal maneira que os atributos não-espaciais associados aos elementos ou entidades poligonais possam ser manipulados da mesma forma que os correspondentes elementos em um mapa temático analógico.

primitivas geométricas: coordenadas 2D, coordenadas 3D, nó 2D, nó 3D, nó de rede, arcos, arcos orientados, isolinhas e polígonos.

Uma coordenada 2D é um objeto composto por uma localização singular (xi, yj) ε R;

Uma coordenada 3D é um objeto composto por uma localização singular (xi, yj, z), onde (xi, yj) ε R;

Um ponto 2D é um objeto que possui atributos descritivos e uma coordenada 2D;

Uma linha 2D possui atributos e inclui um conjunto de coordenadas 2D;

uma isolinha contém uma linha 2D associada a um valor real (cota);

um arco orientado contém uma linha 2D associada a uma orientação de percorrimento;

um nó 2D inclui uma coordenada2D (xi, yi) ε R e uma lista L de linhas 2D (trata-se da conexão entre duas ou mais linhas, utilizada para manter a topologia da estrutura);

Um nó de rede contém um nó 2D e uma lista de arcos orientados, onde a cada instância associa-se uma impedância e um custo de percorrimento;

um nó 3D instância desta classe contém uma coordenada 3D (xi, yi, zi) e um lista L de linhas 2D (trata-se da conexão entre três ou mais linhas de uma grade triangular);

um polígono contém uma lista de linhas 2D e uma lista de nós 2D que descrevem as coordenadas da área externa e das áreas internas que compõem o polígono.

uma instância desta classe é um conjunto de pontos 2D utilizados para guardar localizações isoladas no espaço (p.ex. no caso de poços de petróleo);

uma instância desta classe é um conjunto de linhas, onde cada linha possui uma cota e as linhas não se interceptam;

para uma região geográfica R qualquer, uma subdivisão planar contém um conjunto Pg de polígonos, L de linhas 2D e N de nós 2D;

uma instância desta classe é uma representação composta de um conjunto de nó de rede e de um conjunto de arco orientado 2D;

uma instância desta classe contém um conjunto de nós 3D e um conjunto L de linhas 2D tal que todas as linhas se interceptam, mas apenas em seus pontos iniciais e finais;

uma instância desta classe é um conjunto de coordenadas 3d. Trata-se de um conjunto de amostras 3D.

Para a produção de cartas e em operações onde se requer maior precisão, a representação vetorial é mais adequada.

As operações de álgebra de mapas são mais facilmente realizadas no formato matricial.

• GRADE REGULAR
• MALHAS TRIANGULARES

A grade regular é uma representação matricial aonde cada elemento da matriz está associado a um valor numérico,

Para a geração da grade torna-se necessário estimar, através de interpoladores matemáticos, os valores para as células que não possuem medidas de elevação, considerando-se a vizinhança de medidas de elevação conhecidas.

A malha triangular ou TIN (do inglês “triangular irregular network”) é uma estrutura do tipo vetorial com topologia do tipo nó-arco e representa uma superfície através de um conjunto de faces triangulares interligadas.

O valor de elevação em qualquer ponto dentro da superfície pode ser estimado a partir das faces triangulares, utilizando-se interpoladores.

As malhas triangulares são normalmente melhores para representar a variação do terreno, pois capturam a complexidade do relevo sem a necessidade de grande quantidade de dados redundantes.

As grades regulares têm grande redundância em terrenos uniformes e dificuldade de adaptação a relevos de natureza distinta no mesmo mapa, por causa da grade de amostragem fixa.

Para o caso de variáveis geofísicas e para operações como visualização 3D, as grades regulares são preferíveis, principalmente pela maior facilidade de manuseio computacional.

Como representar no computador os atributos dos objetos?

utiliza um SGBD relacional para armazenar os atributos convencionais dos objetos geográficos (na forma de tabelas) e arquivos para guardar as representações geométricas destes objetos.

A entrada dos atributos não-espaciais é feita por meio de um SGBD relacional e para cada entidade gráfica inserida no sistema é imposto um identificador único ou rótulo, através do qual é feita uma ligação lógica com seus respectivos atributos não-espaciais armazenados em tabelas de dados

esta estrutura dificulta o equacionamento das questões de otimização de consultas, gerência de transações e controle de integridade e de concorrência.

são indicadas quais as estruturas de dados a serem utilizadas para construir um sistema de Geoprocessamento. Neste momento, são tratadas as decisões concretas de programação e que podem admitir número muito grande de variações.

Um dos aspectos principais a ser levado em conta no universo de implementação é o uso de estruturas de indexação espacial.

Os métodos de acesso a dados espaciais compõem-se de estruturas de dados e algoritmos de pesquisa e recuperação e representam um componente determinante no desempenho total do sistema.

• organização baseada num banco de dados geográficos (“à la dBASE”);
• organização baseada em projetos (“à la AutoCAD”).

o usuário define inicialmente o esquema conceitual associado às entidades do banco de dados geográficos, indicando para cada tipo de dados seus atributos não-espaciais e as representações geométricas associadas.

o usuário define inicialmente um referencial geográfico (que delimita uma região de trabalho) e a seguir, define as entidades geográficas que compõem o projeto.

Um projeto é usualmente composto por um conjunto de níveis, camadas ou planos de informação (PIs), que variam em número, tipos de formatos e de temas, conforme as necessidades de cada tarefa ou estudo.