QGIS 2.8 + SAGA GIS
Álgebra de Mapas para Substituição de Pixels
Negativos no MDE Topodata
Jorge Santos
2015
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Conteúdo
Sumário
Capítulo 1 ......................................................................................................................................... 3
Download e Análise do Topodata ............................................................................................... 3
1.1. Download do Topodata por Cenas .................................................................................. 3
1.2. Presença de Valores Negativos na imagem .................................................................... 3
1.3. Tipo de Dado Numérico ................................................................................................... 4
1.4. Bits e Bytes ....................................................................................................................... 5
1.5. Tipo de Dado em Sensoriamento Remoto...................................................................... 5
1.6. Rampa de Cores (8 Bit) .................................................................................................... 6
1.7. Rampa de Cores (16 Bit) .................................................................................................. 6
1.8. Tipo de Dado e Escala do SRTM Topodata ...................................................................... 6
Capítulo 2 ......................................................................................................................................... 8
Indicador de Amostragem Min/Max .......................................................................................... 8
2.1. Realce de Contagem Cumulativa..................................................................................... 8
2.2. Leitura dos Metadados .................................................................................................... 8
2.3. Realce Mínimo/Máximo .................................................................................................. 9
Capítulo 3 ....................................................................................................................................... 11
Substituição do Pixel Valor Zero................................................................................................ 11
3.1. Transformação de Float32 para UInt16 ........................................................................ 11
3.2. O Problema do Pixel Valor Zero no MDE....................................................................... 12
3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster .................................................................................... 13
3.4. Resultado Final ............................................................................................................... 15
Capítulo 4 ....................................................................................................................................... 16
Contatos ..................................................................................................................................... 16
Processamento Digital – Geotecnologias e Software Livre ................................................. 16
Competências ........................................................................................................................ 16
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Capítulo 1
Download e Análise do Topodata
1.1. Download do Topodata por Cenas
Para realizar o download do SRTM Topodata com resolução espacial de 30 metros, é necessário acessar
o site do SRTM Topodata através do seguinte link:
http://www.webmapit.com.br/inpe/topodata/
O Topodata é distribuído por cenas ou recortes. No mapa, escolha uma área de interesse e navegue até
essa localidade. Clique sobre uma folha Topodata e selecione o produto ALTITUDE. Aguarde o download da
imagem e repita esse passo até recobrir a sua localidade com imagens Topodata.
Figura 01. SRTM Topodata. O produto Altitude contém valores de elevação
O Topodata é um MDE (Modelo Digital de Elevação) ou DEM (Digital Elevation Model). São dados raster
que possuem valores de altitude armazenados nos pixels da imagem. O recorte do SRTM Topodata por folhas
tem a finalidade de facilitar a distribuição dessas imagens. Após o download, descompacte as imagens no seu
computador. Neste tutorial, criamos a pasta topodata32 diretamente no drive C: para evitar caminhos muito
longos.
1.2. Presença de Valores Negativos na imagem
A elevação é medida a partir do nível do mar. No MDE, valores menores ou iguais a zero podem ser
utilizados para representar depressões ou corpos d’água na imagem. Em alguns casos, valores negativos podem
representar erros nos dados.
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Figura 02. Esboço do relevo entre as cidades de Lima (Peru) e Santos (Brasil).
Em algumas situações, a presença de pixels com valor zero ou negativo no interior da imagem pode
representar um obstáculo. Não seria um problema encontrar pixels de valor zero em partes relacionadas ao mar,
porém, a representação visual do MDE com “buracos” pode gerar dúvidas na interpretação dos dados. Na
imagem abaixo, podemos visualizar um exemplo de recorte Topodata com pixel valor zero:
Figura 03. Presença de pixels com valor zero no MDE Topodata.
Uma prática comum em aplicativos para Geoprocessamento consiste em associar o valor zero à área
sem dados (NODATA) para ocultar partes escuras nas bordas da imagem. Este processo geralmente é executado
para as bordas. O programa SIG executa o processo em toda extensão do raster. Logo, se há pixel com valor zero
no interior da imagem, ele também será ocultado. Pixel com valor zero no interior do raster pode ser um
problema. Para evita-los, dependendo da aplicação que será realizada no MDE, você pode utilizar uma álgebra e
substituir o valor zero pelo valor mais próximo.
Para executar a álgebra corretamente, é preciso definir o Tipo de Dado deste arquivo raster.
1.3. Tipo de Dado Numérico
Na computação, para armazenar informação numérica, existem regras específicas. O Tipo de Dado
(Data Type) é um princípio matemático que tem origem na Teoria dos Conjuntos (o Conjunto dos Números
Naturais, o Conjunto dos Números Inteiros, dos Números Reais, Imaginários, etc.).
1.3. Tipo de Dado Numérico
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Um arquivo raster é uma matriz, ou seja, trata-se de estrutura formada por linhas e colunas. A
intersecção entre linhas e colunas forma pixels ou células. Na estrutura de dados raster, valores numéricos são
armazenados em todas as células da imagem para representação de um determinado fenômeno do espaço
geográfico. Para a computação, se existe um determinado valor numérico, este número precisa ser classificado
de acordo com o Tipo de Dado. Vamos tomar como exemplo a Teoria Geral dos Conjuntos, utilizando a aplicação
do conjunto Z referente ao Conjunto dos Números Inteiros:
Z = {…, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, …}
Em relação ao Conjunto Z, podemos afirmar que:



O Conjunto Z admite números inteiros, ou seja, não há parte fracionária nos algarismos.
O Conjunto Z admite números sinalizados e não sinalizados, ou seja, números inteiros sinalizados são os
números com sinal negativo e números inteiros não sinalizados são os números positivos.
Em relação ao conjunto acima, podemos afirmar que o valor -3 é um número inteiro sinalizado e o valor
1 é um número inteiro sem sinal.
Mapas topográficos, imagens de satélite, fotografias aéreas ou qualquer outra informação matricial são
tratados no computador (meio digital) como arquivos raster. O Tipo de Dado classifica o formato dos números e a
escala ou intervalo de valores (Range) indica a quantidade total de valores que pode ser armazenada na matriz.
1.4. Bits e Bytes
Nosso sistema de numeração é o sistema decimal, pois realizamos a contagem em números em base 10.
No computador, todos os números são escritos em base 2, portanto, a máquina utiliza o sistema binário
Figura 04. Sistema Binário, o sistema utilizado na computação.
No Computador:
01 Bit = um caractere (letra, símbolo ou número)
08 Bit = 1 Byte ou simplesmente “Byte”
16 Bit = 2 Bytes
32 Bit = 4 Bytes
64 Bit = 8 Bytes
Nos processos de computador, há certa preocupação com memória e armazenamento. Quanto maior
for o número de bits, maior será o espaço necessário para armazenar dados. Por isso, é preciso cautela ao
realizar transformações entre dados com maior ou menor número de bits, pois você pode acidentalmente perder
informações ou utilizar um intervalo desnecessário.
1.5. Tipo de Dado em Sensoriamento Remoto
O princípio do Sensoriamento Remoto é extrair informação da radiação eletromagnética e armazenar
essa energia no formato de Número Digital (DN = Digital Number). Durante a passagem ou observação do sensor
remoto, diferentes instrumentos imageadores possuem características próprias para aquisição de informação da
luz. Na tabela abaixo, temos alguns exemplos de satélites artificiais com o total de valores numéricos que podem
ser armazenados em cada imagem processada:
1.4. Bits e Bytes
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Tipo de Dado
Escala
Total de Cores
Exemplo de Plataforma
Inteiro não Sinalizado de 8 Bit
0 – 255
256 cores
Landsat-5
Inteiro não Sinalizado de 11 Bit
0 – 2047
2048 cores
GeoEye-1 / Ikonos / Quickbird
Inteiro não Sinalizado de 12 Bit
0 – 4095
4096 cores
RapidEye
Inteiro não Sinalizado de 16 Bit
0 – 65535
65536 cores
Landsat-8, SRTM
OBSERVAÇÃO: O computador não suporta dados em 11/12 Bit. Produtos dos satélites GeoEye-1, Ikonos,
Quickbird e RapidEye sempre serão entregues na escala compatível (16 Bit).
1.6. Rampa de Cores (8 Bit)
Totalizam 256 níveis de cinza por banda numa escala que varia de 0 a 255 possibilidades de cinza. O tom
de cinza mais escuro é o preto e o tom de cinza mais claro é o branco.
Figura 05. Rampa de Cores que simboliza uma escala de 8 Bit (256 Cores).
1.7. Rampa de Cores (16 Bit)
Totalizam 65536 níveis de cinza por banda numa escala que varia de 0 a 65535 possibilidades de cinza.
O tom de cinza mais escuro é o preto e o tom de cinza mais claro é o branco.
Figura 06. Rampa de Cores que simboliza uma escala de 16 Bit (65536 Cores).
1.8. Tipo de Dado e Escala do SRTM Topodata
O SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) é uma imagem de radar utilizada para representar o relevo
global. Cada valor numérico dos pixels que formam esse DEM (Digital Elevation Model) apresenta um valor de
altitude. Assim, se uma determinada região possui áreas com altitude máxima de 1500 metros, é possível
encontrar valores de pixel que variam de 0 a 1500 (considerando a parte inteira dos algarismos).
1.6. Rampa de Cores (8 Bit)
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O Intervalo dos Dados (Range) pode ser compreendido como um recipiente para armazenamento dos
dados. Geralmente identificamos essa informação nos metadados como Profundidade do Pixel ou Pixel Depth. O
processo de transformação de uma escala para outra é conhecido como Conversão Radiométrica ou Rescale.
Escala de 8 Bit: Intervalo que varia de 0 a 255. Considerando o exemplo do SRTM, não seria possível
armazenar informações de altitude numa escala de 8 Bit porque essa escala é incompatível com os dados de um
relevo cujo intervalo varia entre 0 e 1500. No Brasil, por exemplo, temos muitas regiões que ultrapassam os 255
metros de altitude, portanto, para representar a elevação, precisamos armazenar os dados em outra escala.
Escala de 16 Bit: Intervalo que varia de 0 a 65535. Esta é a escala é apropriada para armazenar dados do
SRTM, pois em todo o planeta não temos montanhas que ultrapassem a dimensão dessa escala. Além do SRTM,
todos os operadores de sensores remotos disponibilizam dados nessa escala.
Escala de 32 Bit: Muito utilizada em processos do computador. Geralmente os números são escritos em
Ponto Flutuante 32 Bits ou Float32. Em algumas análises espaciais, dados em Float podem apresentar resultados
imprecisos. Por esta razão, recomenda-se a conversão para inteiro.
O Topodata está escrito no Tipo de Dado Float32 e precisa ser transformado para UInt16 (Inteiro Não
Sinalizado de 16 Bit). Após realizar a transformação para inteiro, podemos substituir os pixels de valor zero.
1.8. Tipo de Dado e Escala do SRTM Topodata
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Capítulo 2
Indicador de Amostragem Min/Max
2.1. Realce de Contagem Cumulativa
O MDE é um tipo de imagem que possui uma única banda. Por padrão, para apresentar os valores de
elevação no SIG, O QGIS utiliza um indicador chamado Corte de Contagem Cumulativa. Este indicador de
amostragem é útil para aplicar um realce no raster, permitindo que a imagem seja visualizada com mais brilho.
Com o realce cumulativo, o analista pode visualizar mais alvos.
Embora seja eficiente na aplicação de realce na imagem, o indicador de Contagem Cumulativa
apresenta um intervalo de altitude que não corresponde à realidade do raster. Em seu lugar, devemos utilizar o
indicador Mínimo/Máximo para exibir corretamente o intervalo da elevação. Para ter acesso ao intervalo real
dos pixels no raster de altimetria, você precisa consultar os metadados da imagem.
2.2. Leitura dos Metadados
Metadados exibem informações técnicas do raster. Na folha Topodata 23S465ZN.tif que representa
parte da elevação no litoral de São Paulo, temos seguintes valores na tela do QGIS:
Mínimo: -0.361101 / Máximo: 1101.25
Figura 07. QGIS 2.8: Recorte SRTM Topodata com intervalos Min/Max.
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Para verificar se estes valores numéricos estão corretos, os metadados devem ser consultados. Para ter
acesso, basta consultar as Propriedades do Raster.
Clique na categoria Metadata. Para a camada vetorial 23S465ZN.tif, temos:
STATISTICS_MAXIMUM=1638.0999755859
STATISTICS_MEAN=443.00004317336
STATISTICS_MINIMUM=-3.6445899009705
STATISTICS_STDDEV=404.11824116709
Figura 08. QGIS 2.8: Metadados exibindo os valores Mínimo/Máximo do raster.
Com base nos Metadados do raster, o valor mínimo de pixel para este recorte é -3.6445899009705 e, o
maior valor, 1638.0999755859. Perceba que a informação presente no metadado do raster apresenta valores
diferentes da tela principal do QGIS.
Uma representação de mapa raster em ambiente SIG deve considerar o intervalo real dos pixels para
evitar interpretações equivocadas. Portanto, em todas as situações, mesmo que haja necessidade de realçar o
raster para ampliar a visualização, o intervalo das células que realmente importa para qualquer análise raster
deve ser expresso através do indicador Mínimo/Máximo.
2.3. Realce Mínimo/Máximo
Nas Propriedades do Raster, clique na categoria Estilo. A opção padrão é Corte de Contagem Cumulativa,
porém, deve ser trocada para Mín/Max. Em seguida, no item Precisão, selecione a opção Real (mais lento) e
pressione o botão Carregar. Os reais valores do intervalo serão exibidos nos campos Min e Max. Estes são os
valores numéricos que constam nos metadados.
No item Melhorar Contraste, marque a opção Estender para MinMax e a operação será concluída.
Pressione o botão OK para retornar à janela principal do QGIS.
2.3. Realce Mínimo/Máximo
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Figura 09. QGIS 2.8: Ordem de aplicação do Indicador Mínimo/Máximo.
No indicador Min/Max, a imagem SRTM será apresentada sem contraste e o intervalo de valores dos
pixels presentes nos metadados será exibido no Painel Camadas do programa:
Mínimo: -5.36291 / Máximo: 1650.33
Figura 10. QGIS 2.8: Valores reais do SRTM Topodata.
O valor correto do intervalo que consta nos metadados é um valor estimado até o usuário Calcular as
Estatísticas. Para o Topodata, a substituição dos valores negativos dos pixels será executada em três passos:



Os valores do Topodata devem ser convertidos de Float32 para UInt16;
Os valores negativos serão substituídos pelo valor zero;
O valor zero será substituído pelo número inteiro mais próximo.
2.3. Realce Mínimo/Máximo
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Capítulo 3
Substituição do Pixel Valor Zero
3.1. Transformação de Float32 para UInt16
MENU RASTER – CONVERSÃO – TRADUÇÃO (Converter Formato)
1 - Informe as imagens de entrada e saída que serão transformadas de Float32 Bit para Inteiro em 16 Bit:
Figura 11. Arquivos de entrada e saída.
2 – Em seguida, mais abaixo, clique no lápis para editar o comando GDAL para inserir um parâmetro:
Figura 12. Edição do comando GDAL para acrescentar parâmetros.
3 - Cole o parâmetro abaixo no comando após o parâmetro de saída -of GTiff.
-ot UInt16 -co TFW=YES
Veja a demonstração:
ANTES
DEPOIS
gdal_translate -of GTiff
C:/RasterCalculator/23S465ZN.tif
C:/RasterCalculator/23S465ZN16.tif
gdal_translate -of GTiff -ot UInt16 -co TFW=YES
C:/RasterCalculator/23S465ZN.tif
C:/RasterCalculator/23S465ZN16.tif
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Figura 13. Parâmetros GDAL para conversão de Float32 para UInt16.
Clique em OK para executar o comando (não clique no lápis para sair da edição do comando). A nova
imagem em 16 Bit com os valores MIN/MAX apresenta a parte inteira dos valores numéricos:
Figura 14. Tipo de Dado Inteiro Não Sinalizado de 16 Bit.
3.2. O Problema do Pixel Valor Zero no MDE
Acesse as Propriedades do Raster. Na categoria Transparência, procure o campo chamado Sem Valores
de Dados Adicionais. Digite o número 0 e clique no botão OK:
Figura 15. Recurso para ocultar o pixel valor zero no MDE.
3.2. O Problema do Pixel Valor Zero no MDE
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Ao ocultar o pixel zero no raster, esta é a visualização do problema que este tutorial pretende resolver:
Figura 16. O problema do pixel valor zero no MDE.
Para solucionar este problema, devemos substituir o pixel valor zero pelo valor mais próximo.
3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster
Acesse o painel Processar e clique no provedor SAGA GIS. Certifique-se de habilitar a Interface Avançada
do painel (Advanced Interface). O recurso que estamos procurando é a Calculadora Raster (Raster Calculator):
Grid – Calculus – Raster Calculator
Figura 17. A Calculadora Raster do SAGA GIS.
3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster
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A Calculadora Raster permite realizar operações em arquivos raster através de expressões. A operação
que vamos utilizar para trocar os valores dos pixels é uma operação condicional.
Basicamente, iremos construir a seguinte sentença:
Se
O valor do pixel no raster “a” for igual a zero,
Então
Substituir valor zero pelo valor um;
Caso Contrário
Manter os valores dos pixels presentes no raster “a”.
Digite a seguinte sentença no campo Formula da Calculadora Raster do SAGA GIS:
ifelse(a=0, 1, a)
Selecione o raster que será processado, indique o Tipo de Dado como Unsigned 2 Byte Integer (ver
tópicos anteriores) e selecione um local do computador para salvar o novo arquivo:
Figura 18. A Calculadora Raster do SAGA GIS.
Execute o processo e modifique o realce do raster para Min/Max seguindo as recomendações da
Unidade 2 deste documento. Os reais valores do intervalo serão exibidos e o problema com os pixels valor zero
serão solucionados permanentemente.
3.3. SAGA GIS: A Calculadora Raster
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3.4. Resultado Final
Raster Topodata com pixel valor zero substituído pelo pixel valor 1:
Figura 19. Imagem final com a substituição do pixel valor zero.
A partir de agora, você pode aplicar estilos ao seu MDE e recortá-lo sem prejudicar a área sem dados
(NODATA). Este recurso também pode ser aplicado em bandas separadas de uma imagem de satélite, porém, a
substituição de pixel valor zero deve ser executada para cada banda.
Figura 20. Representação topográfica através do MDE Topodata.
3.4. Resultado Final
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Capítulo 4
Contatos
Jorge Santos
Lattes: http://lattes.cnpq.br/1910845468254276
E-mail: [email protected]
Skype: jorgepsantos2002
Processamento Digital – Geotecnologias e Software Livre
Endereço Web: http://www.processamentodigital.com.br/
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Facebook: http://www.facebook.com/ProcessamentoDigital
LinkedIn: http://br.linkedin.com/pub/jorge-santos/10/38b/8a4/
Competências
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Consultor para Projetos que envolvem Demandas de SIG/PDI;
Instrutor para Treinamento Avançado em Geotecnologias;
Instrutor para Treinamento Avançado no Processamento Digital de Imagens.
Processamento Digital – Geotecnologias e Software Livre
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