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Introdu��o ao GeoprocessamentoO que � geoprocessamento?
Conjunto de tecnologias voltadas a coleta e tratamento de informa��es espaciais para um objetivo espec�fico. As atividades envolvendo o geoprocessamento s�o executadas por sistemas espec�ficos mais comumente chamados de Sistemas de Informa��o Geogr�fica (SIG).
Sistema de
geoprocessamento � o destinado ao processamento de dados referenciados geograficamente (ou georeferenciados), desde a sua coleta at� a gera��o de sa�das na forma de mapas convencionais, relat�rios, arquivos digitais, etc; devendo prever recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipula��o e an�lise.
O que � um SIG?
SIG � um sistema que processa dados gr�ficos e n�o gr�ficos (alfanum�ricos) com �nfase a an�lises espaciais e modelagens de
superf�cies.
Algumas defini��es:
"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 � decis�o 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 �nica base de dados informa��es espaciais provenientes de dados cartogr�ficos, dados de censo e cadastro urbano e rural, imagens de sat�lite, redes e modelos num�ricos de terreno.
Oferece mecanismos para combinar as v�rias informa��es,
atrav�s de algoritmos de manipula��o e an�lise, para consultar, recuperar e visualizar o conte�do da base de dados e gerar mapas.
Aplica��es de um SIG
Ferramenta para produ��o de mapas;
Suporte para an�lise espacial de fen�menos;
Banco de dados geogr�ficos, com fun��es de armazenamento e recupera��o de informa��o espacial.
O que � an�lise espacial?
Processos de an�lise espacial tratam dados
geogr�ficos que possuem uma localiza��o geogr�fica (expressa como coordenadas em um mapa) e atributos descritivos (que podem ser representados num banco de dados convencional). Dados geogr�ficos n�o existem sozinhos no espa�o: t�o importante quanto localiz�-los � descobrir e representar as rela��es entre os diversos dados.
Processos de an�lise espacial t�picos de SIG (adaptada de Maguire, 1991).
Exemplos de An�lise Espacial
An�lise
Pergunta Geral
Exemplo
Condi��o
"O que est�..."
"Qual a popula��o desta cidade?"
Localiza��o
"Onde est�...?
"Quais as �reas com declividade acima de 20%?"
Tend�ncia
"O que mudou...?"
"Esta terra era produtiva h� 5 anos atr�s?"
Roteamento
"Por onde ir.. ?"
"Qual o melhor caminho para o metr�?"
Padr�es
"Qual o padr�o....?"
"Qual a distribui��o da dengue em Fortaleza?"
Modelos
"O que acontece se...?"
"Qual o impacto no clima se desmatarmos a Amaz�nia?"
Qual a estrutura de um SIG?
SIG tem os seguintes componentes :
Interface com usu�rio;
Entrada e integra��o de dados;
Fun��es de processamento gr�fico e de imagens;
Visualiza��o e plotagem;
Armazenamento e recupera��o de dados (organizados sob a forma de um banco de dados geogr�ficos).
A interface homem-m�quina define como o sistema � operado e controlado. No n�vel
intermedi�rio, um SIG deve ter mecanismos de processamento de dados espaciais (entrada, edi��o, an�lise, visualiza��o e sa�da). No n�vel mais interno do sistema, um sistema de ger�ncia de bancos de dados geogr�ficos oferece armazenamento e recupera��o dos dados espaciais e seus atributos.
Arquitetura de Sistemas de Informa��o Geogr�fica. Quais tipos de
dados s�o tratados?
Dados de diversas fontes geradoras e de formatos apresentados, com rela��es espaciais entre si (topologia - estrutura de relacionamentos espaciais que se pode estabelecer entre objetos geogr�ficos).
Dados podem ser genericamente separados em mapas tem�ticos, mapas cadastrais (mapas de objetos), redes, imagens e modelos num�ricos de terreno.
O que s�o mapas tem�ticos?
Cont�m regi�es geogr�ficas
definidas por um ou mais pol�gonos, como mapas de uso do solo e a aptid�o agr�cola de uma regi�o.
Armazena na forma de arcos (limites entre regi�es), incluindo os n�s (pontos de interse��es entre arcos) para montar uma representa��o topol�gica.
Topologia constru�da � do tipo arco-n�-regi�o: arcos se conectam entre si atrav�s de n�s (pontos inicial e final) e arcos que circundam uma �rea definem um pol�gono (regi�o).
Pode ser armazenado tamb�m no formato matricial
("raster"). A �rea correspondente ao mapa � dividida em c�lulas de tamanho fixo. Cada c�lula ter� um valor correspondente ao tema mais freq�ente naquela localiza��o espacial.
Representa��o vetorial e matricial de um mapa tem�tico.
Compara��o entre formatos para mapas tem�ticos:
Aspecto
Formato Vetorial
Formato Varredura
Rela��es espaciais entre objetos
Relacionamentos topol�gi-cos entre objetos dispon�veis
Relacionamentos espaciais devem ser inferidos
Liga��o com banco de dados
Facilita associar atributos a elementos gr�ficos
Associa atributos apenas a classes do mapa
An�lise, Simula��o e Modelagem
Representa��o indireta de fen�menos cont�nuos
�lgebra de mapas � limitada
Representa melhor fen�menos com varia��o cont�nua no espa�o
Simula��o e modelagem mais f�ceis
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 geom�tricos
Processamento mais r�pido e eficiente
Armazenamento
Por coordenadas (mais eficiente)
Por matrizes
O que s�o mapas cadastrais ou mapas de objetos?
Ao contr�rio de um mapa tem�tico, cada elemento � um objeto geogr�fico, que possui atributos e pode estar associado a v�rias representa��es gr�ficas. Por exemplo, os lotes de uma cidade s�o elementos do espa�o geogr�fico que possuem atributos (dono, localiza��o, valor venal, IPTU devido, etc.) e que podem ter representa��es gr�ficas diferentes em mapas de escalas distintas. A parte
gr�fica dos mapas cadastrais � armazenada em forma de coordenadas vetoriais, com a topologia associada. N�o � usual representar estes dados na forma matricial.
Exemplo de mapa cadastral (pa�ses da Am�rica do Sul). O que s�o redes?
Redes s�o compostas por informa��es associadas a servi�os de utilidade p�blica, como �gua, luz e telefone,
redes de drenagem (bacias hidrogr�ficas) ou malha vi�ria.
Cada objeto geogr�fico (por exemplo um cabo telef�nico, transformador de rede el�trica ou cano de �gua) possui uma localiza��o geogr�fica exata e est� associado a atributos descritivos, presentes no banco de dados.
As informa��es gr�ficas de redes s�o armazenadas em coordenadas vetoriais, com topologia arco-n�: arcos tem um sentido de fluxo e n�s tem atributos (podem ser fontes ou sorvedouros). A topologia de redes
constitui um grafo, armazenando informa��es sobre recursos que fluem entre localiza��es geogr�ficas distintas.
Elementos de Rede.
As redes s�o o resultado direto da interven��o humana sobre o meio-ambiente. Cada aplica��o de rede tem caracter�sticas pr�prias e com alta depend�ncia cultural.
A liga��o com banco de dados � 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 m�nimo dispon�vel nos sistemas comerciais consiste de c�lculo de caminho �timo e cr�tico. Este pacote b�sico � insuficiente para a realiza��o da maioria das aplica��es porque cada usu�rio tem necessidades distintas. No caso de um sistema telef�nico, uma quest�o pode ser: "Quais s�o os telefones servidos por uma dada caixa
terminal?". J� para uma rede de �gua, pode-se perguntar: "Se injetarmos uma dada percentagem de cloro na caixa d'�gua de um bairro, qual a concentra��o final nas casas?"
Um sistema de modelagem de redes s� ter� utilidade para o cliente depois de devidamente adaptado para as suas necessidades, o que pode levar v�rios anos. Isto imp�e uma caracter�stica b�sica para esta aplica��o: os sistemas devem ser vers�teis e male�veis
O que s�o
imagens?
Representam formas de captura indireta de informa��o espacial. Obtidas por meio de sat�lites, fotografias a�reas ou "scanners" aerotransportados, as imagens s�o armazenadas como matrizes, onde cada elemento de imagem (denominado "pixel") tem um valor proporcional � reflect�ncia do solo para a �rea imageada.
Os objetos geogr�ficos est�o contidos na imagem e para individualiz�-los, � necess�rio recorrer a t�cnicas de foto-interpreta��o e de classifica��o
autom�tica.
Caracter�sticas importantes de imagens de sat�lite s�o: n�mero de bandas do espectro eletromagn�tico imageadas (resolu��o espectral), a �rea da superf�cie terrestre observada instantaneamente por cada sensor (resolu��o espacial) e o intervalo entre duas passagens do sat�lite pelo mesmo ponto (resolu��o temporal).
Caracter�sticas gerais dos principais sat�lites (com os sensores) dispon�veis:
Sat�lite (fam�lia)
Instrumento
Num. bandas
Resolu��o espacial
Resolu��o 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 s�o modelos num�ricos de terreno?
O termo modelo num�rico de terreno (ou MNT) denota a representa��o de uma grandeza que varia continuamente no espa�o. Comumente associados � altimetria, podem ser utilizados para modelar outros fen�menos de varia��o cont�nua (como vari�veis geof�sicas e geoqu�micas e batimetria).
Dois tipos de representa��o podem ser utilizados:
Grades regulares: matriz de elementos com
espa�amento fixo, onde � associado o valor estimado da grandeza na posi��o geogr�fica de cada ponto da grade.
Malhas triangulares: a grade � formada por conex�o entre amostras do fen�meno, utilizando a triangula��o de Delaunay (sujeita a restri��es). A grade triangular � uma estrutura topol�gica vetorial do tipo arco-n� formando recortes triangulares do espa�o.
Compara��o entre grade retangulares e triangulares:
Grade triangular
Grade regular
Vantagens
Melhor representa��o de relevo complexo
Incorpora��o de restri��es como linhas de crista
Facilita manuseio e convers�o
Adequada para geof�sica e visualiza��o 3D
Problemas
Complexidade de manuseio Inadequada para visualiza��o 3D
Representa��o relevo complexo C�lculo de declividade
Quais as classes de aplica��es de Geoprocessamento?
Projetos de an�lise espacial sobre regi�es de pequeno e m�dio porte. Por exemplo gera��o de relat�rios de impacto ambiental para cria��o de uma hidroel�trica ou tra�ado de uma ferrovia. Requerem grande flexibilidade e abrang�ncia das fun��es do SIG, para dados de quantidade limitada, mas muito variada.
Invent�rios espaciais sobre grandes regi�es. Por
exemplo levantamentos sistem�ticos, como os feitos pelo INPE para mapear o desflorestamento na Amaz�nia. �nfase maior no tratamento de grandes bases de dados, sendo que os mesmos procedimentos s�o repetidos para todos os dados, em regi�es s�o muito grandes.
Qual o estado atual da tecnologia e o que se espera no futuro?
Sistemas de informa��o geogr�fica podem ser divididos em tr�s gera��es:
Primeira gera��o - CAD
cartogr�fico. Sistemas herdeiros da tradi��o de Cartografia, com suporte de bancos de dados limitado e com o paradigma t�pico de trabalho sendo o mapa (chamado de "cobertura" ou de "plano de informa��o"). Desenvolvidos a partir do in�cio da d�cada de 80 para ambientes da classe VAX e, a partir de 1985, para sistemas PC/DOS. Utilizada principalmente em projetos isolados, sem a preocupa��o de gerar arquivos digitais de dados. Esta gera��o tamb�m pode ser caracterizada como sistemas orientados a
projeto ("project- oriented GIS").
Segunda gera��o - Banco de dados geogr�fico. 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 in�cio da d�cada de 90. Com interfaces baseadas em janelas, esta gera��o tamb�m pode ser vista como sistemas para suporte � institui��es ("enterprise-oriented GIS").
Terceira gera��o - Bibliotecas
geogr�ficas digitais ou centros de dados geogr�ficos. Previstos para o final da d�cada de 90. Caracterizada pelo gerenciamento de grandes bases de dados geogr�ficos, com acesso atrav�s de redes locais e remotas, com interface via WWW (World Wide Web). Requer tecnologias como bancos de dados distribu�dos e federativos permitindo interoperabilidade, ou seja, o acesso de informa��es espaciais por SIGs distintos. Sistemas orientados para troca de informa��es entre uma institui��o e os demais
componentes da sociedade ("society-oriented GIS").
O que caracteriza um SIG de primeira gera��o?
Sistemas com opera��es gr�ficas e de an�lise espacial sobre arquivos ("flat files"). Liga��o com gerenciadores de bancos de dados parcial (parte das informa��es descritivas se encontra no sistema de arquivos) ou inexistente.
Adequados
� realiza��o de projetos de an�lise espacial sobre regi�es de pequeno e m�dio porte, enfatizando o aspecto de mapeamento.
Permite a entrada de dados sem defini��o pr�via do esquema conceitual, assemelhando-se a ambientes de CAD que podem representar proje��es cartogr�ficas e associar atributos a objetos espaciais.
N�o possuem suporte adequado para construir grandes bases de dados espaciais.
O que caracteriza um SIG da segunda
gera��o?
Concebidos operar como um banco de dados geogr�fico, ou seja, um banco de dados n�o-convencional onde os dados possuem atributos descritivos e uma representa��o geom�trica no espa�o geogr�fico.
Requerem avan�os em:
Modelagem conceitual para quebrar a dicotomia matricial-vetorial e para gerar interfaces com maior conte�do sem�ntico, em integra��o sensoriamento remoto - geoprocessamento, ou seja, integra��o entre mapas tem�ticos, modelos de
terreno e imagens de sat�lites.
Representa��es topol�gicas em m�ltiplas escalas e proje��es.
Linguagens de consulta, manipula��o e representa��o de objetos espaciais de grande poder expressivo.
T�cnicas de an�lise geogr�fica como classifica��o cont�nua e modelagem ambiental.
Arquiteturas de sistemas de ger�ncia de banco de dados com novos m�todos de indexa��o espacial, adequados �s massas de dados a serem gerenciadas.
O uso de ambientes
cliente-servidor requer compet�ncia em administra��o 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 gera��o?
Banco de dados geogr�fico compartilhado por um conjunto de institui��es, acess�vel
remotamente e armazenando dados geogr�ficos, descri��es acerca dos dados ("metadados") e documentos multim�dia associados (texto, fotos, �udio e v�deo).
Motivado pelo agu�ar da nossa percep��o dos problemas ecol�gicos, urbanos e ambientais, pelo interesse em entender, de forma cada vez mais detalhada, processos de mudan�a local e global e pela necessidade de compartilhar dados entre institui��es e com a sociedade.
N�cleo b�sico composto por um grande banco de dados geogr�ficos
com acesso concorrente a uma comunidade de usu�rios, com diferentes m�todos de sele��o, incluindo folheamento ("browsing") e linguagem de consulta.
Metadados (ou "dados sobre os dados") descrevendo os conjuntos de dados dispon�veis localmente ou em centros associados, devendo ser suficiente para guiar a busca e com um conjunto pequeno de descritores obrigat�rios, minimizando o esfor�o requerido para compor o metadado e maximizando a capacidade de busca dispon�vel. Disponibilidade de
dados s�ntese, na forma de mapas em escala reduzida que podem ser utilizados para localizar geograficamente os conjuntos de dados dispon�veis. Deve permitir um refinamento do processo de consulta, estabelecendo um caminho cont�nuo entre o n�vel mais abstrato de metadados e os dados.
Acesso por interfaces multim�dia via Internet, proporcionado pelo ambiente WWW, permitindo que os dados geogr�ficos sejam apresentados de forma pict�rica (atrav�s de mapas reduzidos e imagens "quick-look").
Navega��o pict�rica (browsing), ou seja, sele��o baseada em apontamento na qual uma interface interativa permite ao usu�rio percorrer o banco de dados, acessando dados com base em sua localiza��o espacial. Deve garantir interatividade e rapidez de resposta por meio de mecanismos de generaliza��o.
Interoperabilidade, ou seja, o compartilhamento de dados e procedimentos entre bancos
de dados geogr�ficos baseados em SIGs distintos, que apresentam diferen�as significativas na maneira de operar e nos formatos internos de armazenamento. Necessidade de estabelecer padr�es de transfer�ncia de dados e nos procedimentos de consulta, manipula��o e apresenta��o.
- Modelo Conceptual de SPRING
- Quais s�o as caracter�sticas do modelo do SPRING?
- O que � orienta��o a objetos e como se aplica ao
Geoprocessamento?
- Como � o processo de modelagem?
- Quais os componentes do universo Conceitual?
- Quais s�o as especializa��es de geo-campos e de geo-objetos?
- O que � plano de informa��o?
- O que � objeto n�o-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 Representa��o?
- Como se relacionam os universos
Conceitual e de Representa��o?