Sistemas de Informações Geográficas Unidade 2: Dados Espaciais Prof. Cláudio Baptista 2009.1

2.1 Cartografia Relações interdisciplinares de SIG Cartografia SGBD Sensoriamento Remoto SIG CAD

2.2 Dados Espaciais Dados são observações que fazemos quando monitoramos o mundo real Dados são coletados como fatos que viram informação Dados tornam-se informação quando colocamos um contexto, Exemplo: numa imagem de satélite precisamos saber a semântica dos dados, escala ou medida de unidade

2.2 Dados Espaciais Dados têm três dimensões: temporal: temático: registra quando aconteceu Ex.: 14 de fevereiro de 1995 temático: registra o quê aconteceu Ex.: acidente de vazamento de petróleo espacial: registra onde aconteceu Ex. Bacia de Campos – RJ Ex. Mapa do Metrô de Londres: http://www.tfl.co.uk/tube

Porquê mapas? O espaço geográfico é muito grande quando comparado a outros espaços (ex. Um carro)

Mapas - Definições São abstrações simplificadas ou modelos da realidade, no qual o espaço geográfico é representado pelo mapa. São métodos tradicionais de armazenamento, análise e apresentação de dados espaciais São as formas que usamos para representar a forma que pensamos o espaço em duas dimensões. Um mapa é uma representação e projeção reduzida e simplificada de (partes de) superfície da terra num plano. Uma ferramenta para descrever informação geográfica de forma visual, digital ou tátil.

Mapas O layout espacial de um mapa permite os usuários ver: Padrões espaciais Relacionamentos espaciais Tendências espaciais

Mapas Coisas invisíveis podem se tornar visíveis:

Mapas: Representações abstratas da realidade Simplificada Nem todos objetos da imagem são representadas Classificada: Objetos são classificados em ruas, casas,etc. Simbolizada: Objetos são representados por linhas, áreas e pontos.

Mapas 2-D: flat 3-D: acrescente altitude 4-D: acrescenta animação(tempo)

Mapas

Papel dos mapas Prover informações sobre geodata suportando: Exploração visual de dados desconhecidos Análise de dados Apresentação (map output)

Mapas como ferramentas de busca

Mapas Podem ser classificados como temático topográfico mostram dados relativos a uma tema particular Ex.: solo, geologia, uso da terra, população, transporte topográfico contêm um conjunto de dados diversos em diferentes temas.

Mapas Mapas têm uma orientação (por default o Norte). Utiliza-se da rosa dos ventos para indicar esta orientação

Mapas Uma outra forma de orientação se dá através de rumos e azimutes de um alinhamento: O Azimute de um alinhamento é o menor ângulo no sentido horário entre a linha Norte-Sul e um alinhamento qualquer (entre 0 e 360) O Rumo é o menor ângulo entre a linha Norte-Sul e um alinhamento qualquer (0 a 90).

Processo de Geração de Mapas Estabelecer o propósito do mapa Definir a escala que será usada Selecionar as feições (entidades espaciais) do mundo real que serão colocadas no mapa Escolher um método para a representação destas feições (pontos, linhas, áreas) Generalizar estas feições para representação em 2-D

Processo de Geração de Mapas Adotar uma projeção de mapa para colocar as feições no plano. Aplicar um sistema de referência espacial para localizar as feições com relação as outras Anotar o mapa com chaves, legendas e texto para facilitar o uso do mapa

Propósito de um mapa Mapas têm um propósito (Ex.: Propaganda, Mapa de uma nação) A qualidade dos dados depende do propósito Ex.: Mapa do HP ski resort para ser usado pelos clientes localização das trilhas de esqui estacionamentos hotéis socorro em caso de emergência mapas dos teleféricos, bondes, etc.

Escala Virtualmente todas as fontes de dados espaciais são menores do que a realidade que elas representam A escala indica quão menor que a realidade é um mapa é a razão entre a distância do mapa e a correspondente distância na terra.

Escala É expressa de três formas Terminologia um quociente (1:5.000; 1:5.000.000) verbalmente (1 cm representa 50m) graficamente (ícones usados em mapas computadorizados Terminologia escala pequena (1:250.000, 1:1.000.000) cobrem áreas grandes escala grande (1:10.000, 1:25.000) cobrem áreas pequenas com muito detalhes

Escala A função da linha de escala (escala gráfica) é converter graficamente medidas do mapa em medidas na terra!

Escala

Problema: escala traz distorções Qual a distância de P1 para P2?

Entidades espaciais (feições) Tradicionalmente, mapas são usados para representar elementos do mundo real Símbolos espaciais básicos são: ponto, linha e área. A escolha de um destes símbolos para representar uma entidade espacial depende da escala. Exemplo: cidades representadas num mapa num mapa mundi pontos poderiam ser adotados num mapa regional áreas seriam adotadas num mapa local: pontos, linhas e áreas

Generalização Dados espaciais são uma generalização ou especialização das feições do mundo real Dependendo da escala generalização é necessária para mostrar as feições que podem aparecer naquela escala Em outros casos, generalização é usada para melhorar a qualidade de uma imagem A idéia básica é representar as feições mantendo a claridade.

Generalização: procedimentos Seleção seleção das feições para generalização. Simplificação simplificar a feição Relocar relocar feições que estão sobrepostas ou contíguas Suavização acabamento na feição para uma melhor apresentação

Overlay:Sobreposição de Camadas

Overlay:Sobreposição de Camadas

Legendas

Legendas

Ícones

Aproximação – Zoom in

Aproximação – Zoom in

Afastamento – Zoom out

Formas de Zooming in out Slider Seleção de área Botões

Pan – Navegação Botões de navegação

Pan – Navegação Janela de Overview

Pan – Navegação Arrastando o mapa com o mouse

Seleção de um objeto no Mapa

Infotip

Infotip - Multicamadas

Rótulos - Labels

Distância

Área

Área

Informação

Busca

Consulta Textual

Consulta Textual Resultado da consulta no mapa Marcam quais são os objetos que serão destacados no mapa Resultado da consulta no mapa

Consulta Textual

Cartografia básica Motivação Sempre, na história, o espaço teve um destaque especial: Passado: As grandes navegações (Cabral e Colombo), a ida do homem à Lua Presente: A descoberta do espaço (teve vida em Marte? Robôs em Marte coletando informações) Futuro: A conquista do espaço (ida de humanos à Marte, previsto pela NASA para 2035)

Cartografia básica A forma da Terra Na antiga Grécia já se pensava que a Terra era esférica e se tentava calcular sua circunferência Por volta de 200 a.C., Eratóstenes conseguiu precisão no cálculo: Percebeu que num dia de verão no Hemisfério norte, em Siena ao meio-dia os raios do sol iluminavam todo o fundo de um poço vertical. Nesta mesma data em Alexandria (cidade mais ao norte), viu que os raios solares estavam inclinados no fundo de outro poço. Então ele realizou um experimento com uma estaca nas duas cidades ao mesmo tempo e percebeu que uma não tinha sombra (meio-dia) e que a outra apresentava uma sombra no terreno (com ângulo de 7º12’) Então ele calculou a distância entre as duas cidades e conseguiu através de regra de três a circunferência da Terra (com erro de 10%) 7º12’ -> 5.000 estádios 360º -> X => X = 250.000 estádios (46.250.000 metros) O valor da circunferência é 41.700 KM

Cartografia básica A forma da Terra Posteriormente houve um retrocesso na Cartografia pois chegou-se a imaginar que a terra era um disco. Alguns indícios retomaram a idéia da esfera: Um navio parece perder suas partes ao afastar-se no horizonte A Estrela Polar aparentemente move-se em relação ao observador conforme deslocamento norte-sul deste A projeção da sombra da Terra na Lua no decorrer dos eclipses

Cartografia básica A forma da Terra No século XVII, o astrônomo francês Jean Richer observou na Guiana Francesa: Um relógio com pêndulo de 1m, atrasava cerca de 2 minutos e meio por dia em relação a Paris. Fazendo análise gravitacional, percebeu que, na zona equatorial a distância entre a superfície e o centro da Terra deveria ser maior do que esta distância medida dos Pólos, conclusão: A terra NÃO seria uma esfera perfeita e sim “achatada”. => Surge então o Elipsóide!!! Diâmetro equatorial = 12.756Km e diâmetro do eixo de rotação = 12.714km, com diferença de 42km, o que representa um achatamento de perto de 1/300, por isso, a terra vista do espaço assemelha-se a uma esfera.

Terra: Esfera versus Esferóide Esfera: definida pelo raio R = 6.370.997 m numa área de aproximadamente 520 M Km2 Esferóide: definida por semi-major axis (a) e semi-minor axis (b) WGS 84 (padrão dos USA) a = 6.378.137 e b = 6.356.752,3142 Clarke 1866 (padrão histórico no US) a = 6.378.205,4 e b = 6.356.583,8

Terra: Esfera versus Esferóide

Projeções Localizamos as feições da terra num plano 2-D (mapa) Mundo é esférico e mapa é 2-D Portanto, precisamos de uma projeção de mapa, que transfere a terra esférica no mapa num plano Este processo introduz erros nos dados espaciais

Projeções Existem várias projeções que são adotadas de acordo com o local e que minimizam estes erros Exemplo: Algumas projeções preservam as distâncias entre as entidades em detrimento da direção Em outras,a forma é preservada em detrimento da acurácia na área Se colocarmos uma lâmpada dentro de uma bola que tem o desenho da terra, e projetarmos a luz numa parede, veremos que a parte central da imagem é melhor representada

Projeções Distorção de projeção ocorre em: Forma, área, distância ou direção Projeções diferentes produzem distorções diferentes. As características de cada projeção torna-as úteis para algumas aplicações e não-úteis para outras.

Projeções Tipos: Conformal: preservam a forma de regiões pequenas (nenhuma projeção consegue preservar formas de regiões grandes) Equal-area: preserva a área das feições (forma, ângulo e escala podem estar distorcidos) Equidistant: preserva distâncias entre certos pontos. True-directions: preserva a direção entre objetos.

Projeções Cilíndrica (mercator) a superfície da terra é projetada num cilindro que envolve o globo. Imagem contínua da terra Países perto do equador têm verdadeiras posições relativas A visão dos pólos é bastante distorcida Área é preservada em grande parte Mantém escala, forma, área para pequenas áreas.

Projeção Cilíndrica

Projeções Azimuthal Projeção num plano Apenas parte da superfície da terra é visível A visão será metade do globo ou menos Distorção ocorre nos quatro cantos do plano Distância é preservada na maior parte

Projeção Azimuthal

Projeções Cônica a superfície da terra é projetada num cone que envolve o globo. Área é distorcida Distância é muito distorcida quando se move para baixo da imagem Escala é preservada na maior parte da imagem

Projeção Cônica

Projeções Mapas usados em SIG têm uma projeção associada a eles É importante usar uma determinada projeção de acordo com a localização e o propósito do mapa Ex. se uma aplicação de SIG requer acurácia no cálculo das áreas, usando uma projeção que distorce áreas não é indicado A maioria dos SIGs permite reprojetar um mapa em outra projeção (fazendo mapeamento entre as centenas de projeções existentes)

Sistema de Coordenadas Divide-se a terra em hemisférios: norte e sul (acima e abaixo da linha do Equador) Ocidental e oriental (à esquerda e à direita do Meridiano de Greenwich) Meridiano é cada um dos círculos máximos que cortam a Terra em duas partes iguais e passam pelos pólos Norte e Sul e cruzam-se entre si nestes pontos (semelhante aos gomos de uma laranja) Paralelo representa cada círculo que corta a Terra perpendicularmente em relação aos meridianos. Semelhante a corte horizontais feitos numa laranja. Obs: o Equador é o único paralelo tido como círculo máximo.

Sistema de Coordenadas Coordenadas geográficas latitude e longitude longitude: (ou meridianos) começam num pólo e vão em direção ao outro pólo formando semi-círculos. O meridiano de Greenwich na Inglaterra é o centro e é conhecido como meridiano de Greenwich ou Meridiano Primo. Linhas de longitude estão mais afastadas na linha do equador e mais próximas nos pólos

Sistema de coordenadas A distância relativa entre linhas de longitude onde elas interceptam com linhas de latitude é sempre igual. Entretanto, a distância real variará dependendo da linha de latitude que é interceptada. Exemplo: a distância entre linhas de longitude crescerá à medida que se aproxima do equador

Sistema de Coordenadas Latitude: são linhas perpendiculares às linhas de longitude, paralelas uma das outras Cada linha representa um círculo ao redor do globo Cada círculo terá uma circunferência e área diferentes dependendo da distância com relação aos pólos O círculo com maior circunferência é conhecido como linha do equador (ou paralelo central) e está equidistante dos dois pólos. Nos dois pólos as linhas de latitude são representadas por um único ponto - o pólo

Sistema de Coordenadas Usando latitude e longitude qualquer ponto na superfície terrestre pode ser localizado por meio de graus, minutos e segundos (visto que latitude e longitude são medidos em ângulos) Latitude varia de -90 º a + 90 º ( ou 90 º N e 90 ºS (usa-se a letra grega ) Longitude varia de -180 º a +180 º (ou 180 ºW (oeste) e 180 ºE (leste) (usa-se a letra grega ) Exemplo: Moscou (55º37’N, 36 º0’E) latitude: 55 graus e 37 minutos ao Norte do Equador longitude: 36 graus à leste (East) de Greenwich

Sistema de Coordenadas Latitude de um ponto é a distância angular entre o plano de Equador e um ponto na superfície da terra unido perpendicularmente ao centro do planeta. Latitude é representada pela letra grega fi () É dado em grau, minuto e segundo

Sistema de Coordenadas Longitude é o ângulo formado entre o ponto considerado e o meridiano de Greenwich. Longitude é representada pela letra grega lambda () É dado em grau, minuto e segundo

Latitude e Longitude

Latitude e Longitude Dois pontos numa mesma linha de longitude e separados por um grau de latitude estão distantes: 1 grau de latitude representa 1/360 da circunferência da terra = cerca de 111km 1 minuto de latitude corresponde a 1,86 KM que também define 1 milha náutica 1 segundo de latitude corresponde a 30 metros

Latitude e Longitude Distância entre dois pontos É dada como a menor distância entre dois grandes círculos que passam pelos pontos a serem medidos Um grande círculo é um círculo que passa pelo centro da terra (o meridiano de Greenwich e linha do Equador são grandes círculos, linhas de latitude, exceto o Equador não são grandes círculos (são conhecidos como pequenos círculos)

Latitude e Longitude Distância entre dois pontos Desta forma o comprimento deste arco entre dois pontos de dois grandes círculos numa terra de raio R é dado por: R*cos-1[sen1*sen2 + cos 1*cos 2*cos(1 - 2)] Ex.: A distância de um ponto no Equador a longitude 90E (no oceano índico entre Sri Lanka e Sumatra) e o Pólo Norte é aplicar a esta equação acima os valores 1=0, 1=90; 2=90, 2=90, com raio R=6378Km é 10.018Km (ou perto de 10.000km). Obs.: A França originalmente definiu o sistema métrico no século 18 como 1/10.000.000 da distância do Equador ao Pólo Norte.

Projeção Mercator Transforma latitude/longitude em coordenadas (x,y) no sistema cartesiano Trabalha com meridianos retos e equidistantes e paralelos retos. Cada projeção de mapa pode ser representada como um par de função matemática: x = f( ,), e y=g( ,) A projeção Mercator usa as funções: x =  e y = ln tan[/2 + /4] Para inverter para lat/long:  = x e  = 2 tan-1 e y - /2

Referência Espacial Sistemas de coordenadas geográficas assumem que a terra é uma perfeita esfera, o que é incorreto. Para projetar a esferóide que representa a terra, podemos usar um sistema de coordenadas cartesiano Para tanto, criamos um grid que é colocado sobre o mapa. O grid é obtido da projeção das linhas de latitude e longitude da representação global sobre uma superfície plana, usando uma projeção de mapa

Referência Espacial: Exemplo de Projeções Mercator

Referência Espacial Há portanto distorções na projeção anterior. Portanto, os sistemas de coordenadas cartesianas são indicados para regiões específicas. Exemplo, a Inglaterra usa esta idéia, chamada de Ordnance Survey National Grid system, que se utiliza da projeção Mercator. Este grid é 700 X 1300 Km e cobre toda a Grã-Bretanha. É dividido em 500km quadrados, que são por sua vez divididos em 25 x 100 km quadrados. Cada 100 Km quadrados é identificado por 2 letras. A primeira refere-se ao 500km2 e a segunda ao 100 km2. Cada 100 km2 é dividido em 100 x 10km2 e cada 10 km2 é dividido em 100 X 1 km2.

Referência Espacial - UTM Outro exemplo é o UTM - Universal Transverse Mercator grid system que usa a projeção Mercator e divide a terra em 60 zonas verticais(fusos) que têm 6 º de longitude de largura. UTM usa uma projeção cilíndrica, transversal e secante ao globo terrestre. (é transversal pois a projeção é análogo à colocar um cilindro envolvendo o globo secante aos polos ao invés do Equador. Os limites de mapeamento são os paralelos 80S e 84N, a partir dos quais usa-se uma projeção estereográfica polar. UTM adota coordenadas métricas (plano-retangulares) com informações específicas que aparecem nas margens das cartas (mapas) acompanhando um grid de quadrículas planas. UTM é conformal de forma a preservar forma e escala.

Referência Espacial - UTM O cruzamento do equador com o meridiano padrão específico, denominado Meridiano Central (MC) é a origem deste sistema de coordenadas. Os paralelos e meridianos numa zona UTM são curvados com exceção do meridiano central e do equador que são retos. As coordenadas UTM são definidas em metros e estão de acordo com o Meridiano central. O valor do MC é sempre 500.000m (portanto Easting varia de 0 a 1.000.000m. No hemisfério norte o Equador é a origem de Northing (0m). Então um ponto em Northing 5.000.000m está a 5.000Km do Equador. No hemisfério sul o Equador tem um Northing de 10.000.000m, então todos os outros Northing neste hemisfério tem um valor menor que o Equador.

UTM

Referência Espacial UTM O fato das coordenadas UTM serem em metros facilita o cálculo preciso de distâncias (curtas) entre pontos e áreas. Na verdade UTM é um conjunto de 60 projeções. Portanto, mapas de zonas diferentes tendem a não se encontrarem nas bordas das zonas. Coordenadas UTM são fáceis de reconhecer pois consistem de 6 dígitos(inteiro) Easting e 7 dígitos inteiros Northing.

Referência Espacial: Exemplo de Projeções UTM

Referência Espacial: Exemplo de Projeções Lamberth Azimuthal

Referência Espacial: Exemplo de Projeções Lamberth Azimuthal Cônica

Referência Espacial: Exemplo de Projeções Comparando Projeções

Datum translada esferóide (origem) para obter a melhor precisão para um determinada área a origem da esferóide nem sempre é a origem da terra um bom match num lugar = mal match em outro lugar Datum é um conjunto de parâmetros definindo um sistema de coordenadas e um conjunto de pontos de controle cujos relacionamentos geográficos são conhecidos através de medidas ou cálculos. Existem muitos Datums em uso hoje, para uma lista de alguns veja http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/datum/edlist.html

Datum (DOD) 1. A reference surface consisting of five quantities: the latitude and longitude of an initial point, the azimuth of a line from that point, and the parameters of the reference ellipsoid. 2. The mathematical model of the earth used to calculate the coordinates on any map. Different nations use different datums for printing coordinates on their maps. The datum is usually referenced in the marginal information of each map.

Datum

Referência Espacial Outras considerações sobre referência espacial As entidades espaciais podem ser móveis Entidades espaciais podem mudar (uma rua foi relocada) Um mesmo objeto pode ser referenciado em formas diferentes formas. (pontos e áreas em diferentes escalas)

Referência Espacial Georeferenciamento: é usado para localizar uma feição na superfície da terra ou num mapa. Ex.: Av. Aprigio Veloso, 882, Bodocongó, Campina Grande, PB, Brasil. Problemas: Existem um mesmo nome para diferentes locais (London UK e London, Canada), nos EUA existem 18 cidades chamadas Springfield, no UK há 9 cidades Whitchurches) Existem diferentes nomes para um mesmo local: Pequim e Beijing na China Ver artigo de Luis Fernando Veríssimo

Referência Espacial Formas de georeferenciamento: Nomes de lugares Ex.: London, Ontario, Canadá Endereços Postais Ex.: Rua das Flores, Cidade Nova, Brasil Códigos Postais Ex.: CEP 58.109-970 Área de telefone Ex.: 083 Sistema de Referência Linear Ex.: KM 80 da BR 230 Latitude/longitude Ex.: 80E, 78N Universal Transverse Mercator Ex.: Zone 21 550863E e 7521076N