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Geoprocessamento Aplicado às Ciências Sociais: Fundamentos e Prática com o Software TerraView I Workshop de Metodologia em Ciência Política UFSCar, 14.

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1 Geoprocessamento Aplicado às Ciências Sociais: Fundamentos e Prática com o Software TerraView I Workshop de Metodologia em Ciência Política UFSCar, 14 e 15 de abril de 2014 Flávia Feitosa

2 PARTE I Fundamentos Conceitos: Geoprocessamento e Sistema de Informações Geográficas (SIG) O problema da representação computacional do espaço Tipos de dados espaciais Estruturas de dados espaciais

3 Quase tudo que acontece, acontece em algum lugar… A importância do “ONDE?” O ESPAÇO como DIMENSÃO ANALÍTICA Um Exemplo Clássico…

4 Mapa da Cólera, Londres, 1854, Dr. John Snow Epidemia de Cólera Identificação de Clusters, mortes concentradas em algumas áreas da cidade O Espaço como Dimensão Analítica

5 “On proceeding to the spot, I found that nearly all the deaths had taken place within a short distance of the pump. There were only ten deaths in houses situated decidedly nearer to another street pump. In five of these cases the families of the deceased persons informed me that they always sent to the pump in Broad Street, as they preferred the water to that of the pump which was nearer. In three other cases, the deceased were children who went to school near the pump in Broad Street. Two of them were known to drink the water; and the parents of the third think it probable that it did so.” John Snow, M.D. 18 Sackville Street, September, 1854 Identificou o processo de ocorrência (Relação)

6 Tecnologias da Informação Geográfica  Outras perspectivas e oportunidades de conhecimento  Novas metodologias de análise e dados que permitem vislumbrar o que antes era invisível  Novas interpretações sobre a mesma realidade O Espaço como Dimensão Analítica

7 Um conjunto de métodos, técnicas e metodologias para o tratamento da informação geográfica Geoprocessamento

8 Termo Amplo! Engloba tecnologias de COLETA,ARMAZENAMENTO, TRATAMENTO E ANÁLISE, INTEGRAÇÃO de informações espaciais. Geoprocessamento

9 Cartografia Digital Sensoriamento Remoto Fotogrametria Topografia GPS Dados alfanuméricos Coleta

10 Armazenamento BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO

11 Tratamento e Análise Modelagem de dados Geoestatística Álgebra de Mapas Análise de Redes Análise Topológica Reclassificação

12 Integração Sistemas de Informação Geográfica – SIG Geographical Information Systems - GIS Sistemas Computacionais de Coleta, Armazenamento, Manipulação e Saída de Dados Geográficos

13 Anatomia de um SIG SoftwareHardwareDadosPessoasProcedimentosRede Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

14 Anatomia de um SIG Software Programas de computador com funções de armazenamento, processamento e análise de dados espaciais. Comerciais: ArcGIS Gratuitos e de Código aberto: TerraView, Spring, Quantum GIS Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

15 Softwares ArcGIS GRASS Quantum GIS TerraView SPRING Slide: Karine Ferreira

16 Softwares ArcGIS GRASS Quantum GIS TerraView SPRING Comercial Livre e Open Source Slide: Karine Ferreira

17 Anatomia de um SIG Hardware Conjunto de equipamentos necessários para que o software possa desempenhar suas funções. É o componente físico do sistema, que inclui computadores e periféricos como unidades de armazenamento, impressoras, plotter, scanner, etc. Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

18 Anatomia de um SIG Dados Material bruto que alimenta o sistema, permitindo gerar informação. Podem ser originários de diversas fontes. Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

19 Anatomia de um SIG Pessoas Inclui profissionais qualificados, com capacidade para projetar, programar e/ou manter um SIG com dados, realizar análises e interpretar os resultados. Requer treinamento e experiência em diversos campos do conhecimento. Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

20 Anatomia de um SIG Pessoas  Conhecimento básico de geografia, cartografia, ciências da informação  Experiência nos softwares de SIG  Conhecimento dos dados  Habilidade da condução de análises espaciais “Spatially Aware Professionals” (SAPs): Capacitados para trabalhar com dados geográficos.

21 Anatomia de um SIG Procedimentos Técnicas operacionais adotadas pelos usuários. Estão diretamente relacionados ao conhecimento e experiência do usuário, que, a partir de um objetivo definido, submete os dados a um tratamento específico para obter os resultados desejados. Grande influência na qualidade dos resultados!!! Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

22 Anatomia de um SIG Rede Aumento progressivo de importância. SIG e Internet tem sido fortemente integrados. A tecnologia da Internet está aumentando o uso e a capacidade de equipamentos portáteis em conjunção da rede sem fio. Longley, Goodchild, Maguire e Rhind. Sistemas e Ciência da Informação Geográfica. Porto Alegre: Bookman, 2013

23 Geoprocessamento & SIG Evolução a partir da convergência entre diferentes disciplinas que têm a localização geográfica como uma questão importante a ser observada em seus estudos. TECNOLOGIA FRONTEIRIÇA Espaço (computacionalmente representado) como linguagem comum

24 Como representar o espaço geográfico no computador?

25 REPRESENTAÇÃO = VISÃO REDUZIDA

26 NOSSO DESAFIO Escolher representações computacionais mais adequadas para capturar a semântica de nosso domínio de aplicação O mundo pode ser modelado de muitas formas diferentes !

27 Como a realidade geográfica pode ser modelada (abstraída ou simplificada) em SIG?

28 Níveis de abstração lote, tipo de solos  Mundo Real (Conceitos): lote, tipo de solos  Conceitual: campos contínuos e objetos discretos matrizes, vetores  Representação: Estrutura de dados - matrizes, vetores código em linguagem de computador  Implementação: código em linguagem de computador Universo Mundo Real Universo Conceitual Universo Representação Universo Implementação Processo de Representação Computacional

29 O Que Representar?  Aproximações de entidades realmente existentes (visíveis). Exemplos: edificações, ruas  Conceitos abstratos (invisíveis): exclusão/inclusão social, violência, pobreza/riqueza, desigualdade MUNDO REAL

30 Níveis de abstração lote, tipo de solos  Mundo Real (Conceitos): lote, tipo de solos  Conceitual: campos contínuos e objetos discretos matrizes, vetores  Representação: Estrutura de dados - matrizes, vetores código em linguagem de computador  Implementação: código em linguagem de computador Universo Mundo Real Universo Conceitual Universo Representação Universo Implementação Processo de Representação Computacional

31 Objetos vs. Campos (Worboys, 1995) Objetos Discretos: espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis Campos Contínuos: espaço geográfico como uma superfície contínua UNIVERSO CONCEITUAL

32 Campos Contínuos geo-campos, superfícies, distribuições, fields, coverage Espaço geográfico como uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos observados. Espaço geográfico como uma superfície contínua, sobre a qual variam os fenômenos observados. Para cada ponto da região, temos um valor distinto. Para cada ponto da região, temos um valor distinto. ALTITUDE

33 Objetos Discretos Espaço geográfico como uma coleção de entidades distintas e identificáveis, com limites bem definidos Fonte: Índice de Desenvolvimento Humano (IDH) dos Municípios do Estado de São Paulo Cadastro Urbano: Lotes

34 Marcelo Nery (2006). Gestão Urbana: Sistemas de Informação Geográfica e o Estudo da Criminalidade no Município de São Paulo Homicídios dolosos, segundo local de ocorrência do crime. Fonte: SSP (2002). PONTOS (Eventos)SUPERFÍCIE POLÍGONOS (Taxa por setor censitário) Campos ou Objetos? Criminalidade em São Paulo

35 Níveis de abstração lote, tipo de solos  Mundo Real (Conceitos): lote, tipo de solos  Conceitual: campos contínuos e objetos discretos matrizes, vetores  Representação: Estrutura de dados - matrizes, vetores código em linguagem de computador  Implementação: código em linguagem de computador Universo Mundo Real Universo Conceitual Universo Representação Universo Implementação Processo de Representação Computacional

36 Vetorial & Matricial Elementos representados de forma mais precisa  Ponto  Linha  Polígono Espaço subdividido em células (ou pixels) UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

37 UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

38 Objetos Discretos  Vetor ??? Campos Contínuos  Matriz/Raster ??? UNIVERSO REPRESENTAÇÃO NEM SEMPRE!

39  Espaço subdividido em células (ou pixels)  Células são os elementos de uma matriz sobre a qual se constrói a feição a ser representada  Cada célula: um ou mais valores  Área que cada célula representa: Resolução Espacial  Mapa esquerdo com resolução 4X menor Representação Matricial

40 Fonte: Mohamed Yagoub Estrutura de uma Matriz

41 Fonte: Mohamed Yagoub Célula Qualidades (temático): “Alto, baixo”, tipo de solo Quantidades (numérico): altitude, declividade Estrutura de uma Matriz

42 IMAGEM Elemento de imagem (“pixel”) proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida por área da superfície terrestre Elemento de imagem (“pixel”) proporcional à energia eletromagnética refletida ou emitida por área da superfície terrestre Representação Matricial

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44 Representação Matricial Representação Vetorial Fonte: Mohamed Yagoub Conversão Vetorial  Matricial

45

46 Representação Matricial

47 Fonte: Mohamed Yagoub O Problema da Mistura das Células

48  Forma mais precisa de representar feições geográficas  Entidades representadas através de três formas básicas: ponto, linha ou polígono Representação Vetorial

49 Estruturas de Dados vetoriais Polígono: começa e termina num mesmo nó Arcos e Nós Linha: começa em um nó e termina em outro nó

50 Pontos Pontos Cotados Ilha (tipo especial de polígono) Estruturas de Dados vetoriais

51 Vetores + Tabelas Associação entre Geometria (localização) & Atributos Fonte:

52 Rede  Contém objetos com topologia arco-nó  Grafo que armazena informações sobre recursos que fluem entre localizações geográficas distintas

53 Rede

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55 Vetorial  Preserva relacionamentos topológicos  Preferida quando necessitamos de precisão (ex. cadastro urbano e rural) Matricial  Representa melhor fenômenos com variação contínua no espaço (ex. Elevação, temperatura, densidade populacional)  Facilidade na superposição de planos de informação (álgebra de mapas) Vetorial & Matricial UNIVERSO REPRESENTAÇÃO

56 INPE: Geotecnologias Estratégicas aRT Habeas Software

57 TerraView O TerraView é um aplicativo geográfico, um Sistema de Informação Geográfica – SIG, construído sobre a biblioteca de geoprocessamento TerraLib, tendo como principais objetivos apresentar à comunidade um visualizador de dados geográficos com recursos de consulta e análise destes dados. TerraViewINPEdistribuição gratuíta e de código aberto O TerraView é um produto do INPE de distribuição gratuíta e de código aberto com licença GPL.

58 PARTE II Prática com o Software TerraView Modelo de Dados Criação de Banco de dados e importação de dados espaciais Ferramentas Básicas de Análise Operações Geográficas Visão Geral de Outras Funcionalidades

59 Modelo de Dados Para operar o TerraView é necessário compreender como é definido o modelo de dados da TerraLib, sobre o qual este aplicativo foi construído. Portanto, os seguintes conceitos são apresentados: Banco Plano de Informação (PI) Vista Tema

60 Banco de Dados Em TerraView, TODOS os dados geográficos estão armazenados no Banco de Dados. O TerraView então utiliza todo o poder de um Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD) para armazenar e recuperar: Dados tabulares (tabelas de atributos) Geometrias (pontos, linhas, polígonos, grades ou imagem). Exercício: Criar Banco de Dados “SJC”

61 Criando um Banco de Dados Arquivo Banco de dados Criar Access Escolha um diretório Nomeie o BD OK

62 Plano de Informação (PI) Camada de dados com informações geográficas (geometria e atributos). Cada PI contém informações referente a um único tipo de dado. Exemplo:  Divisão Política  Setores Censitários  Rios Área geográfica definida elevação rios divisão política

63 Plano de Informação Plano pode ser importado. Cada PI armazena os parâmetros de projeção cartográfica no qual foi criado. Exercício: Adicionar PIs  Setores censitários (polígonos /.shp)  Vias (linhas /.shp )  Rede de drenagem (linhas /.shp)  Estabelecimentos comerciais (pontos/.shp)  Imagens de Sensoriamento Remoto (.tiff)

64 Shapefiles (.shp) Formato popular de dados geográficos em formato vetorial Armazena geometrias do tipo ponto, linha e polígono, bem como uma tabela com as propriedades/atributos de cada elemento Desenvolvido pela ESRI para a interoperabilidade de dados Um conjunto de arquivos: .shp : geometria .shx : índice que permite realizar buscas rápidas .dbf : atributos/tabela no formato dBASE .prj : arquivo que descreve projeção utilizada .xml: metadado em formato XML .sbx &.sbn : índice espacial das feições

65 Exemplos de Fontes de Dados Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE)  Fundação SEADE  DATASUS – Departamento de Informática do SUS  OpenStreetMap  Catálogo de Imagens INPE 

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67 Importando um Plano de Informação ???

68 Cartografia Fonte: Júlio D’Alge Nós!!! Leitura: Cartografia para Geoprocessamento (Julio D’Alge)

69  Superfície de referência posicionada em relação à Terra real  Pode ser global ou local  Causa a variação das coordenadas geodésicas DATUM GLOBAL (WGS-84/SIRGAS 2000) GEOCÊNTRICO DATUM LOCAL (SAD-69) NÃO GEOCÊNTRICO     REGIÃO MAPEADA TERRA ELIPSÓIDE Datum Planimétrico Fonte: Júlio D’Alge

70 Vista Área de trabalho de um mapa interativo, que permite mostrar, consultar e analisar os dados geográficos. Uma vista contém um conjunto de temas e são apresentados na Aba de visualização, em função dos parâmetros cartográficos definidos para a vista.

71 Criando uma vista Árvore do BD Árvore de vistas e temas

72 Tema Um tema é definido para exibir o conteúdo de um Plano de Informação (PI) que está no banco ativo. Um tema mostra um PI na projeção cartográfica da vista a qual está associado. Um mesmo PI pode ser apresentado por diferentes temas que podem ser adicionadas a varias vistas

73 Tema Área de desenho Área de grade e barra de mensagens Árvore do BD Árvore de vistas e temas

74 Barra de Ferramentas

75 Exercícios Importar PLANOS DE INFORMAÇÃO (PI)  Dados 01 a 07 Criar uma VISTA com vários TEMAS Explorar a barra de ferramentas

76 Ferramentas Básicas de Análise

77 Edição do Visual Botão direito no tema => Visual => Default

78 Editar Legenda Botão direito sobre o tema Editar Legenda Escolher Modo Escolher Atributo Escolher nr. de Fatias OK Aplicar Configurar Barra de Cores

79 Exercício Mapa Temático Chefes de Família com Rendimento Superior a 20 salários mínimos

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81 Importando/Conectando Tabela Externa

82 Importando Tabela Externa Arquivo Importar tabela Tipo: Externa Escolha o arquivo e a chave primária Executar A Tabela foi importada com sucesso!

83 ConectandoTabela Externa Arquivo Botão direito na área de grade Tabela Conectar tabela externa Arraste o ID da Tabela Externa para cima do ID da Tabela do Tema

84 DesconectandoTabela Externa 1. Selecione na Área de grade uma coluna da tabela externa; 2. Clique com o botão direito sobre o nome da coluna e escolha a opção Desconectar Tabela Externa.

85 Exercício  Importar e conectar tabela de Censo Demográfico: “Domicílios”  Desconectar tabela

86 Importando Tabela Estática Arquivo Importar Tabela... Tipo Estática Escolha o arquivo e a chave primária Executar A Tabela foi importada com sucesso!

87 Selecionando Tabela Estática Botão direito sobre o Tema Selecionar Tabelas do Tema... Selecionar Tabela como Tabela do Tema Executar

88 Exercício 1.Importar tabela “domicilios” como estática. 1.Mudar nome das variáveis V005 e V017 1.Criar nova coluna e calcular a proporção de domicílios particulares permanentes com abastecimento de agua (rede geral) 1.Gerar mapa

89 Modificando Nome de Coluna Botão direito sobre coluna cujo nome queremos modificar Modificar nome da Coluna... Novo nome Executar

90 Exercício 1.Importar tabela “domicilios” como estática. 1.Mudar nome das variáveis V001 e V017 1.Criar nova coluna e calcular a proporção de domicílios particulares permanentes com abastecimento de agua (rede geral) 1.Gerar mapa

91 Adicionar Coluna e Alterar Dados

92 Exercício 1.Importar tabela “domicilios” como estática. 1.Mudar nome das variáveis V001 e V017 1.Criar nova coluna e calcular a proporção de domicílios particulares permanentes com abastecimento de agua (rede geral) 1.Gerar mapa

93 Estatística Descritiva Botão direito sobre a coluna da variável de interesse Estatística...

94 Histograma Botão direito sobre variável / Histograma/Todos

95 Histograma > Cursor Gráfico

96 Gráfico de Barras Botão direito sobre o Tema Editar gráfico de barras ou tortas Inserir atributos de interesse Editar as cores Executar

97 Consulta por Atributos Botão Direito sobre o Tema Consulta por atributo Estipular regra da consulta Nova Consulta Opera sobre os atributos de mapas vetoriais (ponto,linha e polígono) Ex: Quais setores possuem menos do que 10% dos domicílios com abastecimento de água (rede geral)?

98 Consulta Espacial Botão Direito sobre o Tema “Favelas” (selecionar feições) Consulta espacial Tema Visível: “SetoresSJC” Escolher relação topológica (contém) Nova Consulta Opera com relacionamentos espaciais entre objetos de um mapas vetorial (ponto, linha ou polígono) ou entre mapas vetoriais. Ex: Selecionar setores onde estão localizadas favelas (overlap) Os objetos consultados (por atributos ou espacial) têm um visual de cor diferente da default.

99 O que fazer com o resultado da seleção? Botão direito sobre o Tema Criar Tema a partir do tema Marque “Consultado” Nomeie o novo tema Executar Selecionar objetos de um tema: Por Apontamento Por Consulta (atributos ou espacial) Com o resultado pode-se: Criar plano a partir do tema selecionado Criar tema a partir do tema selecionado Salvar tema para arquivo

100 Operações Geográficas Agregação Soma Intersecção Diferença Atribuir Dado por Localização Criação de Buffers

101 Agregação e Soma Botão direito sobre a Vista Geoprocessamento Agregação ou Soma Agregação: Elimina divisões indesejadas através dos valores de atributos. Soma: Combina temas diferentes

102 Interseção Requer dois Temas como entrada: um Tema com qualquer tipo de representação (polígonos, linhas, pontos, células ou dados matriciais) e outro contendo polígonos que formarão uma máscara de recorte, de uma área específica de interesse. O resultado é um novo Plano de Informação formado pelos objetos do primeiro Tema em interseção com a máscara de recorte do Tema de Superposição.

103 Diferença É o oposto da intersecção. Enquanto a Intersecção cria um novo Plano de Informação a partir de uma máscara, a diferença elimina uma área específica a partir da máscara (Área de Diferença) e mantém os atributos do Tema Original.

104 Exercícios Interseção: o A partir do tema “macrozonas”, criar um tema que contenha apenas a área urbana de SJC. o Realizar a interseção entre a imagem Landsat e a área urbana

105 Atribuir dado por localização Temas devem possuir uma relação espacial. A operação se divide em dois tipos: Coletar: É escolhido um tema para o qual será atribuído informações de um outro tema que fornecerá os dados. Distribuir: Essa operação tem o efeito inverso, ela distribui informações de um Tema “maior” para um Tema “menor”. Exemplo, atribuir a cada foco as informações sobre a cidade onde eles estão localizados.

106 Atribuir dado por localização Exercício (Distribuir – do “maior” para o “menor” ) Obter, para cada estabelecimento comercial, o valor da densidade habitacional do setor onde está localizada. Exercício (Coletar – do “menor” para o “maior ”) Obter o número de estabelecimentos comerciais em cada setor. Selecionar os setores que não possuem estabelecimentos comerciais (Consulta por Atributo)

107 Criação de Buffer Exercício Criar, para um determinada rodovia (Dutra), um buffer de 500m.

108 Análise Espacial Matriz de Proximidade Índice de Moran Local – LISA Funções G e G* Taxas Bayesianas Mapa de Kernel Regionalização de Áreas (SKATER) a8.pdf

109 Estimador de Intensidade (Kernel)  Alternativa para analisar o comportamento de padrões de pontos  Fornece, por meio de interpolação, a intensidade pontual do processo em toda a região de estudo LARGURA DE BANDA (τ) FUNÇÃO DE PONDERAÇÃO

110 Exercício Criar Mapa de Kernel a partir do Tema “Comercio” Mais sobre Kernel:

111 Plugins Preenchimento de Células Edição Vetorial – TerraEdit Processamento Digital de Imagens – Terra Image Impressão - TerraPrint Fluxos - Flow

112 Outros Plugins dy=PluginsRelacao

113 Material Auxiliar

114 Outras Referências Curso Introdução ao Geoprocessamento, SER 300. DPI/INPE: Livro “Geoprocessamento: Teoria e Aplicações”, organizado por Gilberto Câmara, Antônio Miguel V. Monteiro e Clodoveu Davis: Cursos de Curta Duração DPI/INPE – Fundamentos de Geoprocessamento & Introdução ao TerraView: Contato: Flávia Feitosa flafeitosa.wordpress.com


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