Introdução
ao Geoprocessamento
O que é geoprocessamento?
- Conjunto de tecnologias voltadas a coleta e tratamento de informações espaciais para um objetivo específico. As
atividades envolvendo o geoprocessamento são executadas por sistemas específicos mais comumente chamados de
Sistemas de Informação Geográfica (SIG).
- Sistema de geoprocessamento é o destinado ao processamento de dados referenciados geograficamente (ou
georeferenciados), desde a sua coleta até a geração de saídas na forma de mapas convencionais, relatórios, arquivos
digitais, etc; devendo prever recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.
O que é um SIG?
- SIG é um sistema que processa dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos) com ênfase a análises espaciais e
modelagens de superfícies.
- Algumas definições:
- "Um conjunto manual ou computacional de procedimentos utilizados para armazenar e manipular dados
georeferenciados" (Aronoff, 1989).
- "Conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o
mundo real" (Burrough, 1986).
- "Um sistema de suporte à decisão que integra dados referenciados espacialmente num ambiente de respostas a
problemas" (Cowen, 1988).
- "Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual opera um conjunto de procedimentos para responder a
consultas sobre entidades espaciais" (Smith et al., 1987)
O que caracteriza um SIG?
- Integra numa única base de dados informações espaciais provenientes de dados cartográficos, dados de censo e
cadastro urbano e rural, imagens de satélite, redes e modelos numéricos de terreno.
- Oferece mecanismos para combinar as várias informações, através de algoritmos de manipulação e análise, para
consultar, recuperar e visualizar o conteúdo da base de dados e gerar mapas.
- Aplicações de um SIG
- Ferramenta para produção de mapas;
- Suporte para análise espacial de fenômenos;
- Banco de dados geográficos, com funções de armazenamento e recuperação de informação espacial.
O que é análise espacial?
- Processos de análise espacial tratam dados geográficos que possuem uma localização geográfica (expressa como
coordenadas em um mapa) e atributos descritivos (que podem ser representados num banco de dados convencional).
Dados geográficos não existem sozinhos no espaço: tão importante quanto localizá-los é descobrir e representar as
relações entre os diversos dados.
- Processos de análise espacial típicos de SIG (adaptada de Maguire, 1991).
Exemplos de Análise Espacial
Análise |
Pergunta Geral |
Exemplo |
| Condição |
"O que está..." |
"Qual a população desta cidade?" |
| Localização |
"Onde está...? |
"Quais as áreas com declividade acima de 20%?" |
| Tendência |
"O que mudou...?" |
"Esta terra era produtiva há 5 anos atrás?" |
| Roteamento |
"Por onde ir.. ?" |
"Qual o melhor caminho para o metrô?" |
| Padrões |
"Qual o padrão....?" |
"Qual a distribuição da dengue em Fortaleza?" |
| Modelos |
"O que acontece se...?" |
"Qual o impacto no clima se desmatarmos a Amazônia?" |
Qual a estrutura de um SIG?
- SIG tem os seguintes componentes :
- Interface com usuário;
- Entrada e integração de dados;
- Funções de processamento gráfico e de imagens;
- Visualização e plotagem;
- Armazenamento e recuperação de dados (organizados sob a forma de um banco de dados geográficos).
- A interface homem-máquina define como o sistema é operado e controlado. No nível intermediário, um SIG deve
ter mecanismos de processamento de dados espaciais (entrada, edição, análise, visualização e saída). No nível
mais interno do sistema, um sistema de gerência de bancos de dados geográficos oferece armazenamento e
recuperação dos dados espaciais e seus atributos.
 Arquitetura de Sistemas de Informação Geográfica.
Quais tipos de dados são tratados?
- Dados de diversas fontes geradoras e de formatos apresentados, com relações espaciais entre si
(topologia - estrutura de relacionamentos espaciais que se pode estabelecer entre objetos geográficos).
- Dados podem ser genericamente separados em mapas temáticos, mapas cadastrais (mapas de objetos), redes,
imagens e modelos numéricos de terreno.
O que são mapas temáticos?
- Contêm regiões geográficas definidas por um ou mais polígonos, como mapas de uso do solo e a aptidão
agrícola de uma região.
- Armazena na forma de arcos (limites entre regiões), incluindo os nós (pontos de interseções entre arcos)
para montar uma representação topológica.
- Topologia construída é do tipo arco-nó-região: arcos se conectam entre si através de nós (pontos inicial e
final) e arcos que circundam uma área definem um polígono (região).
- Pode ser armazenado também no formato matricial ("raster"). A área correspondente ao mapa é dividida em
células de tamanho fixo. Cada célula terá um valor correspondente ao tema mais freqüente naquela localização
espacial.
 Representação vetorial e matricial
de um mapa temático.
Comparação entre formatos para mapas temáticos:
Aspecto |
Formato Vetorial |
Formato Varredura |
| Relações espaciais entre objetos |
Relacionamentos topológi-cos entre objetos disponíveis |
Relacionamentos espaciais devem ser inferidos |
| Ligação com banco de dados |
Facilita associar atributos a elementos gráficos |
Associa atributos apenas a classes do mapa |
| Análise, Simulação e Modelagem |
Representação indireta de fenômenos contínuos
Álgebra de mapas é limitada |
Representa melhor fenômenos com variação contínua no espaço
Simulação e modelagem mais fáceis |
| Escalas de trabalho |
Adequado tanto a grandes quanto a pequenas escalas |
Mais adequado para pequenas escalas (1:25.000 e menores) |
| Algoritmos |
Problemas com erros geométricos |
Processamento mais rápido e eficiente |
| Armazenamento |
Por coordenadas (mais eficiente) |
Por matrizes |
O que são mapas cadastrais ou mapas de objetos?
- Ao contrário de um mapa temático, cada elemento 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. A parte gráfica dos mapas cadastrais é
armazenada em forma de coordenadas vetoriais, com a topologia associada. Não é usual representar estes dados
na forma matricial.
 Exemplo de mapa cadastral (países da América do Sul).
O que são redes?
- Redes são compostas por informações associadas a serviços de utilidade pública, como água, luz e telefone,
redes de drenagem (bacias hidrográficas) ou malha viária.
- Cada objeto geográfico (por exemplo um cabo telefônico, transformador de rede elétrica ou cano de água)
possui uma localização geográfica exata e está associado a atributos descritivos, presentes no banco de dados.
- As informações gráficas de redes são armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-nó: arcos
tem um sentido de fluxo e nós tem atributos (podem ser fontes ou sorvedouros). A topologia de redes constitui
um grafo, armazenando informações sobre recursos que fluem entre localizações geográficas distintas.
 Elementos de Rede.
- As redes são o resultado direto da intervenção humana sobre o meio-ambiente. Cada aplicação de rede tem
características próprias e com alta dependência cultural.
- A ligação com banco de dados é fundamental. Como os dados espaciais tem formatos relativamente simples, a maior
parte do trabalho consiste em realizar consultas ao banco de dados e apresentar os resultados de forma
adequada.
- O pacote mínimo disponível nos sistemas comerciais consiste de cálculo de caminho ótimo e crítico. Este pacote
básico é insuficiente para a realização da maioria das aplicações porque cada usuário tem necessidades
distintas. No caso de um sistema telefônico, uma questão pode ser: "Quais são os telefones servidos por uma
dada caixa terminal?". Já para uma rede de água, pode-se perguntar: "Se injetarmos uma dada percentagem de
cloro na caixa d'água de um bairro, qual a concentração final nas casas?"
- Um sistema de modelagem de redes só terá utilidade para o cliente depois de devidamente adaptado para as suas
necessidades, o que pode levar vários anos. Isto impõe uma característica básica para esta aplicação: os
sistemas devem ser versáteis e maleáveis
O que são imagens?
- Representam formas de captura indireta de informação espacial. Obtidas por meio de satélites, fotografias
aéreas ou "scanners" aerotransportados, as imagens são armazenadas como matrizes, onde cada elemento de
imagem (denominado "pixel") tem um valor proporcional à reflectância do solo para a área imageada.
- Os objetos geográficos estão contidos na imagem e para individualizá-los, é necessário recorrer a técnicas de
foto-interpretação e de classificação automática.
- Características importantes de imagens de satélite são: número de bandas do espectro eletromagnético imageadas
(resolução espectral), a área da superfície terrestre observada instantaneamente por cada sensor (resolução
espacial) e o intervalo entre duas passagens do satélite pelo mesmo ponto (resolução temporal).
Características gerais dos principais satélites (com os sensores) disponíveis:
Satélite (família) |
Instrumento |
Num. bandas |
Resolução espacial |
Resolução temporal |
| LANDSAT |
MSS
TM |
4
7 |
80 m
30 m |
18 dias
18 dias |
| SPOT |
XS
PAN |
3
1 |
20 m
10 m |
27 dias
27 dias |
| TIROS/NOAA |
AVHRR |
5 |
1100 m |
6 horas |
| METEOSAT |
MSS |
4 |
8000 m |
30 minutos |
| ERS |
SAR banda-C |
1 |
25 m |
25 dias |
O que são modelos numéricos de terreno?
- O termo modelo numérico de terreno (ou MNT) denota a representação de uma grandeza que varia continuamente no espaço. Comumente associados à altimetria, podem ser utilizados para modelar outros fenômenos de variação contínua (como variáveis geofísicas e geoquímicas e batimetria).
- Dois tipos de representação podem ser utilizados:
- Grades regulares: matriz de elementos com espaçamento fixo, onde é associado o valor estimado da grandeza na posição geográfica de cada ponto da grade.
- Malhas triangulares: a grade é formada por conexão entre amostras do fenômeno, utilizando a triangulação de Delaunay (sujeita a restrições). A grade triangular é uma estrutura topológica vetorial do tipo arco-nó formando recortes triangulares do espaço.
Comparação entre grade retangulares e triangulares:
|
Grade triangular |
Grade regular |
| Vantagens |
Melhor representação de relevo complexo
Incorporação de restrições como linhas de crista |
Facilita manuseio e conversão
Adequada para geofísica e visualização 3D |
| Problemas |
Complexidade de manuseio
Inadequada para visualização 3D |
Representação relevo complexo
Cálculo de declividade |
Quais as classes de aplicações de Geoprocessamento?
- Projetos de análise espacial sobre regiões de pequeno e médio porte. Por exemplo geração de
relatórios de impacto ambiental para criação de uma hidroelétrica ou traçado de uma ferrovia. Requerem grande
flexibilidade e abrangência das funções do SIG, para dados de quantidade limitada, mas muito variada.
- Inventários espaciais sobre grandes regiões. Por exemplo levantamentos sistemáticos, como os
feitos pelo INPE para mapear o desflorestamento na Amazônia. Ênfase maior no tratamento de grandes bases de
dados, sendo que os mesmos procedimentos são repetidos para todos os dados, em regiões são muito grandes.
Qual o estado atual da tecnologia e o que se espera no futuro?
- Sistemas de informação geográfica podem ser divididos em três gerações:
- Primeira geração - CAD cartográfico. Sistemas herdeiros da tradição de Cartografia, com suporte de
bancos de dados limitado e com o paradigma típico de trabalho sendo o mapa (chamado de "cobertura" ou de "plano
de informação"). Desenvolvidos a partir do início da década de 80 para ambientes da classe VAX e, a partir de
1985, para sistemas PC/DOS. Utilizada principalmente em projetos isolados, sem a preocupação de gerar arquivos
digitais de dados. Esta geração também pode ser caracterizada como sistemas orientados a projeto ("project-
oriented GIS").
- Segunda geração - Banco de dados geográfico. Concebida para uso em ambientes cliente-servidor,
acoplado a gerenciadores de bancos de dados relacionais e com pacotes adicionais para processamento de imagens.
Chegou ao mercado no início da década de 90. Com interfaces baseadas em janelas, esta geração também pode ser
vista como sistemas para suporte à instituições ("enterprise-oriented GIS").
- Terceira geração - Bibliotecas geográficas digitais ou centros de dados geográficos. Previstos
para o final da década de 90. Caracterizada pelo gerenciamento de grandes bases de dados geográficos, com
acesso através de redes locais e remotas, com interface via WWW (World Wide Web). Requer tecnologias como
bancos de dados distribuídos e federativos permitindo interoperabilidade, ou seja, o acesso de informações
espaciais por SIGs distintos. Sistemas orientados para troca de informações entre uma instituição e os demais
componentes da sociedade ("society-oriented GIS").
O que caracteriza um SIG de primeira geração?
- Sistemas com operações gráficas e de análise espacial sobre arquivos ("flat files"). Ligação com
gerenciadores de bancos de dados parcial (parte das informações descritivas se encontra no sistema de arquivos)
ou inexistente.
- Adequados à realização de projetos de análise espacial sobre regiões de pequeno e médio porte,
enfatizando o aspecto de mapeamento.
- Permite a entrada de dados sem definição prévia do esquema conceitual, assemelhando-se a ambientes de CAD
que podem representar projeções cartográficas e associar atributos a objetos espaciais.
- Não possuem suporte adequado para construir grandes bases de dados espaciais.
O que caracteriza um SIG da segunda geração?
- Concebidos operar como um banco de dados geográfico, ou seja, um banco de dados não-convencional
onde os dados possuem atributos descritivos e uma representação geométrica no espaço geográfico.
- Requerem avanços em:
- Modelagem conceitual para quebrar a dicotomia matricial-vetorial e para gerar interfaces com maior conteúdo
semântico, em integração sensoriamento remoto - geoprocessamento, ou seja, integração entre mapas temáticos,
modelos de terreno e imagens de satélites.
- Representações topológicas em múltiplas escalas e projeções.
- Linguagens de consulta, manipulação e representação de objetos espaciais de grande poder expressivo.
- Técnicas de análise geográfica como classificação contínua e modelagem ambiental.
- Arquiteturas de sistemas de gerência de banco de dados com novos métodos de indexação espacial, adequados
às massas de dados a serem gerenciadas.
- O uso de ambientes cliente-servidor requer competência em administração em Bancos de Dados e em Redes de
Computadores. Exige investimento maior para adquirir, instalar e operar sistemas gerenciadores de bancos de
dados (SGBD) de mercado. As bases de dados corporativas devem estar no mesmo ambiente de SGBD utilizado pelo
SIG.
O que caracteriza um SIG da terceira geração?
- Banco de dados geográfico compartilhado por um conjunto de instituições, acessível remotamente e
armazenando dados geográficos, descrições acerca dos dados ("metadados") e documentos multimídia associados
(texto, fotos, áudio e vídeo).
- Motivado pelo aguçar da nossa percepção dos problemas ecológicos, urbanos e ambientais, pelo interesse em
entender, de forma cada vez mais detalhada, processos de mudança local e global e pela necessidade de
compartilhar dados entre instituições e com a sociedade.
- Núcleo básico composto por um grande banco de dados geográficos com acesso concorrente a uma comunidade de
usuários, com diferentes métodos de seleção, incluindo folheamento ("browsing") e linguagem de consulta.
- Metadados (ou "dados sobre os dados") descrevendo os conjuntos de dados disponíveis localmente ou em
centros associados, devendo ser suficiente para guiar a busca e com um conjunto pequeno de descritores
obrigatórios, minimizando o esforço requerido para compor o metadado e maximizando a capacidade de busca
disponível. Disponibilidade de dados síntese, na forma de mapas em escala reduzida que podem ser utilizados
para localizar geograficamente os conjuntos de dados disponíveis. Deve permitir um refinamento do processo de
consulta, estabelecendo um caminho contínuo entre o nível mais abstrato de metadados e os dados.
- Acesso por interfaces multimídia via Internet, proporcionado pelo ambiente WWW, permitindo que os dados
geográficos sejam apresentados de forma pictórica (através de mapas reduzidos e imagens "quick-look").
- Navegação pictórica (browsing), ou seja, seleção baseada em apontamento na qual uma interface interativa
permite ao usuário percorrer o banco de dados, acessando dados com base em sua localização espacial. Deve
garantir interatividade e rapidez de resposta por meio de mecanismos de generalização.
- Interoperabilidade, ou seja, o compartilhamento de dados e procedimentos entre bancos de dados geográficos
baseados em SIGs distintos, que apresentam diferenças significativas na maneira de operar e nos formatos
internos de armazenamento. Necessidade de estabelecer padrões de transferência de dados e nos procedimentos de
consulta, manipulação e apresentação.
- Modelo Conceptual
de SPRING
- Quais são as características do modelo do SPRING?
- O que é orientação a objetos e como se aplica ao Geoprocessamento?
- Como é o processo de modelagem?
- Quais os componentes do universo Conceitual?
- Quais são as especializações de geo-campos e de geo-objetos?
- O que é plano de informação?
- O que é objeto não-espacial?
- Qual o esquema geral do universo conceitual no SPRING?
- Como se define o esquema conceitual no banco de dados do SPRING?
- Quais os componentes do universo de Representação?
- Como se relacionam os universos Conceitual e de Representação?
- Interface com Bancos de Dados
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