Fundamentos de Geoprocessamento
Introdução a SIG
Modelagem de Dados
INPE - Divisão de Processamento de Imagens
Introdução
Geoprocessamento representa a área
do conhecimento que utiliza técnicas
matemáticas e computacionais para
tratar a informação geográfica.
Sistemas de Informação Geográfica
(SIG) são as ferramentas computacionais
para Geoprocessamento, integrando
dados de diversas fontes em bancos de
dados geo-referenciados.
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Visões de Geoprocessamento
• Produção de Mapas: geração e
visualização de dados espaciais.
• Banco de Dados: armazenamento e
recuperação de informação espacial.
• Análise Espacial: combinação de
informações espaciais.
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O que há de especial com dados espaciais?
• Localização: Onde está...?
– Quais as áreas com declividade acima de 20%?
• Condição: O que está...?
– Qual a população desta cidade?
• Tendência: O que mudou...?
– Esta terra era produtiva há cinco anos atrás?
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O que há de especial com dados espaciais?
• Roteamento: Qual o melhor caminho...?
– Qual o melhor caminho para a linha do metrô?
• Padrões: Qual o padrão...?
– Qual a distribuição da dengue em Fortaleza?
• Modelos: O que acontece se...?
– O que acontece com o clima se desmatarmos a
Amazônia?
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O que há de especial com dados espaciais?
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O que há de especial com dados espaciais?
• Dados geográficos - representação dual
– localização e atributos
• Localização
– representação da superfície terrestre
– processos no espaço geográfico
• Atributos
– descrição do fenômeno
– representação num banco de dados
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O que há de especial com dados espaciais?
• Correlação espacial
– vizinhos tendem a ser “mais semelhantes”
• Correlação entre variáveis
– processos de ocupação do espaço
• Correlação temporal
– evolução dos dados espaciais
• Correlação topológica
– relações espaciais entre dados
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Sistemas de Informação Geográfica
• Ambiente computacional para
Geoprocessamento
– Integrar dados cartográficos, cadastrais, de
sensores remotos, redes e modelos numéricos
de terreno.
– Consultar, recuperar, visualisar, manipular e
plotar o conteúdo de um banco de dados georeferenciado.
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Estrutura de um SIG
Interface
Entrada e Integração
de Dados
Consulta e Análise
Espacial
Visualização
Plotagem
Gerência Dados
Espaciais
Banco de Dados
Geográfico
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SIG - definições, conceitos
• Burrough
– Conjunto poderoso de ferramentas para coletar,
armazenar, recuperar, transformar e visualizar
dados sobre o mundo real.
• Cowen
– Um sistema de suporte à decisão que integra
dados referenciados espacialmente num
ambiente de respostas a problemas.
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SIG - definições, conceitos
• Goodchild
– O valor potencial maior de sistemas de
informação geográfica está em sua capacidade
de analisar dados espaciais.
• Dangermond
– Um SIG agrupa, unifica e integra a informação.
Torna-a disponível de uma forma a qual ninguém
teve acesso anteriormente e coloca informação
antiga num novo contexto.
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SIG x CAD
• CAD
– coordenadas de papel
– regularidades nos objetos
– desenhos sem atributos
• SIG
Angola
– projeções cartográficas
África do Sul
– topologia do espaço
– atributos descritivos
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Modelagem de dados geográficos
interface usuário
Universo
Universo
Mundo real
Conceitual
•
Universo
Representação
Universo
Implementação
Níveis de abstração
mundo real  cadastro urbano, vegetação, solos
conceitual  campos, objetos
representação  matrizes, vetores
implementação  R-trees, quad-trees
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Universo do Mundo Real
• Mapas temáticos
• Mapas cadastrais
• Modelos numéricos de terreno
• Redes
• Imagens de satélite
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O que é um mapa?
• Modelo simplificado da realidade.
• Uma representação, normalmente em
escala, de uma seleção de entidades
abstratas relacionadas com a superfície
da Terra.
• Modelo de dados que se interpõe entre a
realidade e a base de dados de um SIG.
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Tipos de mapa
• Carta topográfica
– representação de superfícies
• Mapas temáticos
– conceitos qualitativos (uso do solo, clima)
• Mapas cadastrais e redes
– localização de objetos do mundo (lotes)
• Imagens de satélite
– informação indireta sobre a realidade
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Mapas temáticos
• Distribuição espacial qualitativa da
grandeza em estudo
• Domínio do atributo
– nominal: lista de valores
• mapa de vegetação
• {floresta, cerrado, desmatamento}
– ordinal: escala de medida
• mapa de classes de declividade
• {0-5%, 5-10%, 10%}
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Modelos Numéricos de Terreno
• Distribuição espacial quantitativa
da grandeza em estudo
• Domínio do atributo
– intervalo: referência arbitrária
• altimetria, batimetria
• temperatura em graus Celsius
– razão: referência natural
• peso, distância
• temperatura em graus Kelvin
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Mapas cadastrais
• Contém objetos geográficos individuais
– mapas de países, lotes, propriedades rurais
PIB
(Us$ bn)
Pop
(milhões)
Brasil
350
159
Argentina
295
34
Chile
45
14
País
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Mapas de rede
• Contém objetos com topologia arco-nó
– utilizado para redes conectadas
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Mapas de rede
• Objetos endereçados no espaço
• Exemplo: rede de distribuição elétrica
– rede primária
– rede secundária
– sub-estações, alimentadores
– postes, transformadores, chaves
– cadastro urbano
– cadastro de consumidores
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Mapas de rede
• Ligação forte com banco de dados
Sub-estações
id
22
label
capacidade
Eng. Dentro
3.000 kVA
Postes
id
label
2345 32-17-95
Transformador
Classe 3
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Imagens
• Fontes: satélites, fotografias
aéreas
• Elemento de imagem (pixel)
– proporcional à energia
eletromagnética refletida ou
emitida por área da superfície
terrestre
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Modelando a natureza
• O que há num mapa?
• Linhas no mapa
– divisão política
– separação entre tipos de solo
– isolinhas (cota 1000)
• E o mapa como modelo de
dados?
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Universo conceitual
• Campos (variáveis geográficas
contínuas)
– mapa temático
– modelo numérico do terreno
– imagem
• Objetos (variáveis geográficas
discretas)
– linhas de transmissão
– quadras
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Universo conceitual: geo-campo
Geo-Campo: ƒ= [ R, A, ] , onde: R  2, A = { A1, A2, ..., An}
é um conjunto de atributos e : RA mapeia pontos de R
para valores em A.
Representa a distribuição espacial de uma variável que
possui valores em todos os pontos pertencentes a R.
Contra-domínio da função
conjunto enumerável = temático
mapa de cobertura vegetal
valores contínuos (- a +) = numérico
mapa de aeromagnetometria
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Universo conceitual: geo-objetos
Dadas as regiões geográficas R1,R2,..Rn (Ri2) e o conjunto de
atributos convencionais A1,...,An,
Geo-Objeto go = [ r1, r2, ..., rn, a1, a2,...,an], onde ri  Ri é uma
parte de uma região geográfica Ri e ai  Ai é um valor particular
do atributo Ai.
É um elemento único que possui atributos não-espaciais e está
associado a múltiplas localizações geográficas.
País
PIB
Pop
Brasil
800
159
Argentina
300
34
Chile
45
14
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Geo-objetos
• Um geo-objeto, múltiplas representações
•1
id
nome
Amazonas
Xingu
•2
•3
id
nome
1
Yanomami
2
Waimiri
3
Kayapó
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Mapa cadastral
• Suporte para mapeamento de objetos
Mapa Lotes n. 345
Jardim Esplanada
Lotes
geoid
23
22
dono
endereço
cadastro IPTU
22
Guimarães
Caetés 768
250186
23
Bevilácqua
São João 456
110427
24
Ribeiro
Caetés 790
271055
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Mapas de Rede
cons. 0193516
primária
secun.
tr. 1567
p 92-17-64
p. 92-17-63
Sub-estação
Hospital
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Universo de Representação
Banco de Dados
Geográficos
part-of
part-of
Plano de
Informação
Geo-campo
is-a
Temático
Geo-objeto
Cadastral
is-a
part-of
is-mapped-in
is-a
Numérico
is-a
Dado de Sensoriamento Remoto
Rede
Não-espacial
Banco de Dados Geográficos é composto
por conjuntos de planos de informação,
um conjunto de geo-objetos e
um conjunto de objetos não-espaciais
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Universo de Representação
Plano de
Informação
is-represented-by
Representação
Geométrica
é-um
Matricial
é-um
Vetorial
Plano de Informação é a generalização dos conceitos de
geo-campo e de objeto cadastral
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Estruturas de Dados
• Vetoriais
– arco-nó-polígono
– arco-nó
– grades triangulares
• Matriciais
– matrizes de inteiros
– matrizes de ponto flutuante
– matrizes de caracteres (bytes)
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Representação Vetorial
• Componentes
– ponto, linha, região
– região M={1,2,3,4,5}
• Topologia
– relação espacial entre objetos
– Toulouse fica na região M
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2 3
1
M
5
35
toulouse
4
Topologia
Estrutura topológica do tipo nó-linha-polígono
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Representação Matricial
• Componentes
Le
– matriz de células
– índice espacial
– cada célula, um valor
Li
Ls
Aq
• Indica o que ocorre em cada
lugar do espaço
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Representações para mapas temáticos
• Vetorial
– preserva relacionamentos topológicos
– associa atributos a elementos gráficos
– melhor exatidão e eficiência de armazenamento
• Matricial
–
–
–
–
fenômenos variantes no espaço
adequado para simulação e modelagem
processamento mais rápido e simples
maior gasto em armazenamento
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Representações para MNT
Grade regular (matriz de reais)
• elemento com espaçamento fixo
• valor estimado da grandeza
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Representações para MNT
Grade triangular (TIN)
• conexão entre amostras
• estrutura topológica arco-nó
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Representações para MNT
Vantagens
Grade triangular
Grade regular
1. Melhor representação de re-
1. Facilita manuseio e
levo complexo
2. Incorporação de restrições
como linhas de crista
conversão
2. Adequada para geofísica e visualização
3D
Problemas
1. Complexidade de manuseio
2. Inadequada para visualização 3D
1. Representação de relevo complexo
2. Cálculo de declividade
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Representações computacionais para mapas
Vetorial
Mapas temáticos
Arco-nó-polígono
Mapas Cadastrais
Arco-nó-polígono
Mapas de Rede
Arco-nó
Modelos numéricos de
terreno
Grades triangulares
ou isolinhas
Imagens
Matricial
Matriz de inteiros
Matriz de reais
Matriz de bytes
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