Sistemas de Informações Geográficas SIGs

FUNDAMENTOS TEÓRICOS Capítulo 1 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 FUNDAMENTOS TEÓRICOS PROF. ALEXANDRE ROSA DOS SANTOS Engenheiro Agrônomo - UFES Mestrado em Meteorologia Agrícola – UFV Doutorado em Engenharia Agrícola - UFV

Fundamentos Teóricos Sistemas de informações geográficas - SIGs 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 ESPACIAL TEMPORAL TEMÁTICA 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 na superfície da terra são, coletivamente, denominadas dados espaciais (SINTON, 1978) Quando a variação muda de lugar para lugar (declividade, altitude, profundidade do solo) Quando as variações são detectadas através de mudanças de características (geologia, cobertura vegetal) Quando a variação muda com o tempo (densidade demográfica, ocupação do solo)

Conjunto de valores numéricos ou não que As descrições dos fenômenos relacionados ao mundo real podem ser arquivadas ora como dados, ora como informações DADOS INFORMAÇÃO Conjunto de dados que possui um determinado significado para um uso ou aplicação em particular, ou seja, foi agregado ao dado um componente adicional, a interpretação Conjunto de valores numéricos ou não que corresponde à descrição de fatos do mundo real

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 POLÍGONOS LINHAS OU ARCOS É um dado espacial que não possui área, é representado por um único par de coordenadas e pode representar uma determinada árvore, uma fonte ou temperatura São áreas definidas por uma seqüência de linhas que não se cruzam e se encontram em um nó, como, por exemplo, uma unidade litológica ou uma área de ocorrência de determinado tipo de solo Correspondem ao início ou fim de uma linha, ou à representação do cruzamento de duas ou mais linhas, como, por exemplo, foz de rios ou cruzamento de estradas CADEIAS Representam um tipo especial de linhas que correspondem aos segmentos lineares que definem os limites entre polígonos, ou seja, uma linha que é compartilhada por dois polígonos, como por exemplo, limites entre municípios ou fazendas É um dado espacial formado por uma seqüência de pontos conectados, por exemplo, estradas e rios

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. Ex2: Se levarmos em consideração o número de municípios, no caso brasileiro nós temos 5.022 (dados de 1996), a resolução média de um mapa que represente os municípios será de: Ex1: Se a área do Brasil é de, aproximadamente, 8,5 milhões de km2 e existem 26 Estados, a resolução de um mapa que represente os Estados será de:

Os dados espaciais, em diferentes ESCALAS e RESOLUÇÕES, podem ser codificados em: Representações Analógicas Representações Digitais Codificação das entidades espaciais em linguagem binária, portanto em formato adequado para serem armazenadas em computadores Disposição das entidades espaciais em papel

Os processos envolvidos na transformação de dados analógicos em dados digitais são, coletivamente, conhecidos como: CAPTURA DE DADOS ESCANERIZAÇÃO DIGITAÇÃO MANUAL OBS2:Como os dados espaciais correspondem sempre a uma generalização ou aproximação da realidade, eles contêm INCERTEZAS e IMPRECISÕES OBS1: a digitação manual é ainda amplamente usada, pelo fato, da escanerização depender da qualidade dos mapas originais entre outros fatores.

As fontes de dados espaciais podem ser consideradas como: PRIMÁRIAS Correspondem àquelas medidas diretamente no campo Correspondem àquelas derivadas de mapas e banco de dados persistente SECUNDÁRIAS

Representação VETORIAL e representação RASTER ou MATRICIAL

QUAL A DIFERENÇA ENTRE TECNOLOGIA E GEOTECNOLOGIA ???? TECNOLOGIA É a ciência dos meios (SCRUTON, 1982) GEOTECNOLOGIA É a arte e a técnica de estudar a superfície da terra e adaptar as informações às necessidades dos meios físicos, químicos e biológicos OBS 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 1990 GEOGRAFIA COMO CIÊNCIA HUMANA (Ratzel) GEOGRAFIA REGIONAL (P. V. de la Blache) ATUALIZAÇÃO DA GEOGRAFIA REGIONAL (Hartsthone) GEOGRAFIA RADICIAL (Vertente humanista) (Tuan) GEOGRAFIA QUANTITATIVA (Bunge) GEOGRAFIA RADICIAL (Harvey) GEOTECNOLOGIA

1.2. OS SUPORTES DOS SIGs MULTIDISCIPLINAR ??? 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

EVOLUÇÃO DAS RELAÇÕES DE CUSTO, TEMPO E COMPLEXIDADE ENTRE SOFTWARE E HARDWARE TEMPO COMPLEXIDADE CUSTO hardware Complexidade do software Complexidade do uso software

CARTOGRAFIA: MAPA: 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

Profundidade do lençol freático, espessura de solos etc. 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: de solos, de rochas etc., que possuem características determinadas. O tema pode ser: São mapas específicos, como mapas de Qualitativo Quantitativo Profundidade do lençol freático, espessura de solos etc. Classes de solo MAPAS POLITEMÁTICOS Mostram informações qualitativas e quantitativas sobre mapas, por exemplos, mapas de solo mostrando o resultado da produção agrícola.

DEFINIÇÕES IMPORTANTES Observa e mede a forma e o tamanho do planeta Terra ou parte dele e determina a exata localização dos pontos sobre a superfície. GEODÉSIA É a ciência que produz medidas confiáveis através da Fotografia, normalmente aérea, sendo utilizadas em Mapeamentos e levantamentos. FOTOGRAMETRIA Fornece técnicas para determinar a área de qualquer porção da superfície terrestre, além de comprimento e direção de linhas e o contorno de superfície. TOPOGRAFIA Tecnologia que obtém medidas de objeto sem tocá-lo fisicamente e oferece um vasto arsenal de produtos caracterizados por imagens de diferentes resoluções espaciais e espectrais. SENSORIAMENTO REMOTO

Detalhes da aplicação ALGUMAS APLICAÇÕES DOS SIGs Planejamento urbano Planejadores urbanos necessitam de informações detalhadas sobre a distribuição da terra e recursos nas cidades Planejamento urbano Engenharia civil Os engenheiros civis necessitam planejar estradas, canais e barragens e estimar o custo de remoção de terra Engenharia civil A enorme quantidade de infra- estrutura, como água, gás, eletricidade telefonia, esgoto e lixo, Necessita ser registrada e gerenciada. Infra-estrutura A vigilância sanitária pode ser gerenciada através do uso de geografia em processos epidemiológicos, como foi utilizada na Inglaterra no século XIX. Vigilância sanitária O departamento de polícia precisa saber os níveis de segurança das cidades Segurança Os governos precisam saber a distribuição espacial dos hospitais, das escolas, da segurança Governo Governo Segurança Infra-estrutura Vigilância sanitária 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) 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) SISTEMA DE INFORMAÇÕES

Ozemoy, Smith e Sicherman (1981) 1.3. Definição de SIG Ducker (1979) Um caso especial de sistemas de informações, no qual o banco de dados consiste em informações sobre características distribuídas espacialmente, atividades e eventos, os quais são definidos no espaço como pontos, linhas ou áreas. Ozemoy, Smith e Sicherman (1981) Um elenco de funções automáticas que fornece aos profissionais, com avançada capacidade, o armazenamento, recuperação, manipulação e exibição de dados geograficamente definidos. Ducker (1979) Ozemoy, Smith e Sicherman (1981) Burrough (1981) Devine e Field (1981) Opershaw (1987) DOE (1979) Smith et al.(1987) Parker (1988) Cowen (1988) FICC (1988) Parent (1988) Hanigan (1988) Aronoff (1989) Carter (1989) Koshkariov, Tikunov e Trokimov (1989) Star e Estes (1990) DEFINIÇÃO COMPLETA Os SIGs necessitam usar o meio digital, portanto o uso intensivo da informática é imprescindível; deve existir uma base de dados integrada, estes dados precisam estar geo-referenciados e com controle de erro; devem conter funções de análises destes dados que variem de álgebra cumulativa (operações tipo soma, subtração, multiplicação, divisão etc) até álgebra não cumulativa (operações lógicas) Goodchild (1991) DEFINIÇÃO COMPLETA

1.4. Inter-relações entre SIG, CADD, SGBD, SMDE e SR 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

Inter-relações entre as tecnologias SMDE SR CADD SGBD SIG 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 PEOPLEWARE O banco de dados DATAWARE Obs: 70% do custo de implementação de um SIG refere-se à montagem de uma base de dados

Processamento de arquivos: 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 CONDIÇÃO TENDÊNCIA ROTA PADRÃO SIMULAÇÃO MODELAMENTO O que está em...? Onde está...? O que mudou...? Qual o melhor caminho...? Qual a melhor variável...? Ocorrendo um evento... 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 Tabelas, listas, números frases em resposta a determinadas perguntas Dados para serem transmitidos via rede ou serem armazenados em determinados meios magnéticos ou óticos Sons e imagens em 2,5-D Mapas, imagens no monitor

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 OBS1: Atualmente, os computadores pessoais (personal computer – PC) usam 8, 16, 32 e 64 bits. OBS2: Um grupo de 8 bits é chamado de byte, que é a unidade padrão de medida de dados nos computadores.

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? =7510 Ou =7510

Exemplos Definições importantes Hardware: Refere-se a qualquer dispositivo físico como parte de um sistema computacional. Compõem-se essencialmente de: Unidade central de processamento - CPU Unidade central de processamento - CPU A CPU recebe as instruções e as executa processando os dados conforme foi estabelecido por um programa em particular e é o elemento fundamental de um computador. Unidades de armazenamento As principais uniidades de armazenamento são discos magnéticos e discos óticos: Disquetes: 1,4 Mb Fitas de áudio digital (DAT) de 4 mm e 8 mm: 2 a 8 Gb Fitas streamers: 60 a 150 Mb. Disco Rígido (HD): 100 Mb a 100 Gb Unidades de armazenamento Exemplos Monitores Plotters Clique aqui para ver Figuras Impressoras Scanners

DISCOS MICROPROCESSADOR DISPOSITIVOS DE ENTRADA

FIM

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

Se os dados originais forem imprecisos, o produto 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 Arquitetura Seleção de locais para Empreendimen- tos Engenharia Florestal Aquisição e armaz. de Dados Estruturação de Dados Geração de informação NÚCLEO DO SIG Análise Ambiental Análise Ambiental Planejamento Militar Gerenciamento Gerenciamento de Infra-Estrutura Geologia e Geofísica Gerenciamento de Recursos Hídricos