Introdução à Cartografia e Geoprocessamento

1. Introdução à Cartografia e Geoprocessamento Carlos Ruberto Fragoso Jr. CTEC – UFAL

2. Tópicos • O que é Geoprocessamento • O que é um SIG • Importância do Geoprocessamento em Recursos Hídricos • Noções de cartografia • Introdução ao ArcGIS

3. Geoprocessamento • Conjunto de ferramentas usadas para coleta etratamento de informações espaciais,geração de saídas na forma de mapas, relatórios, arquivos digitais, etc; • Deve prover recursos para sua estocagem, gerenciamento, manipulação e análise.

4. Geoprocessamento X SIGs • Geoprocessamento representa qualquer tipo de processamento de dados georeferenciados (conceito muito mais abrangente). • Um SIG é capaz de processar dados gráficos e não gráficos (alfanuméricos), com ferramentas de análises espaciais e modelagens de superfícies.

5. SIG’s - Definições • 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” • Smith “Um banco de dados indexados espacialmente, sobre o qual opera um conjunto de procedimentos para responder a consultas sobre entidades espaciais”

6. SIG’s - Definições • Oppenshaw “Sistema com um conjunto de métodos analíticos que permite o acesso a atributos e localização dos objetos geográficos em estudo”. • Goodchild “O valor potencial maior de sistemas de informação geográfica está em sua capacidade de analisar dados espaciais. “ • Dangerramond “Um SIG agrupa, unifica e integra a informação. Torna-a disponível de uma forma que ninguém teve acesso anteriormente, e coloca informação antiga num novo contexto.”

7. Software SIG • Um programa de SIG é um programa de computador projetado para fazer o computador pensar que é um mapa. • A diferença entre um mapa e um programa SIG é que o segundo é mais inteligente. Você pode perguntar e ele responde. • adaptado de Kennedy, M. 2006 Introducing Geographic Information Systems with ArcGIS

8. Por que utilizar cartografia computadorizada? • Fazer mapas mais rapidamente. • Fazer mapas mais baratos. • Fazer mapas para usos específicos. • Fazer mapas em situações em que não há disponibilidade de pessoal especializado • Permitir experimentos com representações espaciais diversas dos mesmos dados. • Facilitar atualização de mapas. • Facilitar análises de dados que exigem interação entre estatística e mapas. • Minimizar a necessidade de mapas em papel. • Fazer mapas que não podem ser representados em papel (3D, mapas estereoscópicos). Algumas razões apresentadas por Burrough e McDonnell

9. Estrutura de um SIG Entrada e Integr. Consulta e Análise Visualização Dados Espacial Plotagem Gerência Dados Espaciais BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO Interface

10. O que deve existir num SIG? • Mostrar localização de entidades específicas. • Mostrar localização de entidade A em relação ao local B. • Contar o número de ocorrências da entidade A dentro de uma região definida por uma distância máxima ou mínima da entidade B. • Avaliar o valor da função f na posição x. • Calcular o tamanho de B (área, perímetro, número de entidades A no interior). • Permitir operações de união e intersecção. • Permitir encontrar caminhos ótimos entre dois pontos. • Listar os atributos das entidades localizadas em x.

11. O que deve existir num SIG? • Determinar que entidades estão próximas às entidades que combinam certos atributos. • Reclassificar entidades que apresentam certa combinação de atributos. • Conhecendo o valor de uma variável z nos pontos x1, x2,... xn, definir o valor de z nos pontos y1, y2,... yn. • Derivar novos atributos a partir de atributos existentes. • Usando a base de dados como uma representação do mundo real, simular o efeito de um processo P ao longo de um período T num determinado cenário S.

12. O que é um mapa? • Mapa:modelos simplificados da realidade • representa, normalmente em escala, uma seleção de entidades abstratas sobre ou relacionadas com a superfície da Terra (ICA).

13. Produção de um Mapa • Definição de escala e projeção cartográfica • Seleção dos elementos do mundo • Classificação em grupos (e.g. tipos de solo) • Simplificação de elementos gráficos • Exagero de elementos importantes • Simbologia para apresentar dados

14. Tipos de Mapas em Geoprocessamento • Características dos mapas: diversidade de fontes geradoras e de formatos apresentados. • O sistema se restringe a tratar os seguintes tipos de dados: • Mapas Temáticos: conceitos qualitativos (uso e cobertura do solo, clima); • Imagens; • Mapas Numéricos(representação de superfícies) • Mapas Cadastrais e Redes(localização de objetos do mundo - e.g. lotes)

15. Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos • Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica • Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de processos. • Uso dos recursos hídricos – Cobertura e uso do solo (urbanizado, florestas, campos agrícolas) • A cobertura e uso do solo se distribui no espaço de forma heterogênea e dinâmica. • Cada elemento responde diferentemente em funções dos processos hidrológicos.

16. Modelos Complexos em Bacias B A C Dados Meteorológicos D Distribuição do uso do solo E HSPF HSPF Dados do rio F Dados específicos de uso do solo e poluição Dados da bacia Fontes pontuais Interface em Windows SIG Modelo Pos-Processamento

17. Mas cuidado! • Os SIG tem um impacto muito grande sobre qualquer área do conhecimento que está ligada ao manejo e análise de dados distribuídos no espaço. Algumas pessoas podem enxergar os SIG como uma mágica, como em: “…os dados foram inseridos no computador e a resposta é …”. A velocidade, consistência e precisão de um SIG são impressionantes, e as figuras podem ser bonitas. Com a experiência, no entanto, o SIG passa a ser uma mera extensão da capacidade de pensar do usuário. O SIG não tem respostas inerentes, somente o usuário. SIG é uma ferramenta, como a estatística e a modelagem hidrológica.

18. Bibliografia - Livros • Fundamentos de Sistemas de Informações Geográficas; José Iguelmar Miranda (Embrapa) 2005. • Análise espacial de dados geográficos; Vários autores (EMBRAPA) 2004. • Geoprocessamento em Recursos Hídricos: Princípios, Integração e Aplicações. Carlos André Bulhões Mendes e José Almir Cirilo 2001. • Fundamentos de informação geográfica. João Matos 2001 • Principles of Geographical Information Systems for Land Resources Assessment. P. A. Bourrough

19. Bibliografia - Manuais • Tutorial do Idrisi • Tutorial e Help do SPRING • Tutorial e Help do MapWindow • Tutorial e Help do ArcGIS • Manuais de outros programas

20. Bibliografia - Periódicos • International Journal of Geographical Information Science • Geographical Analysis • Computers and Geosciences • Photogrametric Engineering and Remote Sensing • Remote Sensing and Environment • Environment and Planning B: Planning and Design • Periódicos da área de recursos hídricos (WRR; Journal of Hydrology; Environmental modeling and software; Journal of Hydrologic Engineering; HESS; IAHS; Hydrological Processes...)

21. Noções de Cartografia • Escalas • Entidades espaciais • Sistema de coordenadas • Formas de representar a superfície da Terra • Sistema Geográfico de Coordenadas • Projeções • Projeção UTM

22. 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.

23. Escala • É expressa de três formas • um quociente (1:5000; 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

24. Escala do Mapa e Resolução da Grade

25. Escala • Não confunda escala numérica com escala gráfica!!!

26. 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

27. Sistemas de coordenadas • No século XVII Rene Descartes contribuiu para unir a álgebra e a geometria inventando o sistema de coordenadas y x,y que passou a ser chamado Sistema Cartesiano x

28. Sistema de coordenadas cartesiano • Qualquer ponto em um plano é definido pelas suas coordenadas x e y. y x,y x

29. Sistema de coordenadas cartesiano • Uma reta que passa pelos pontos x1 e y1 e x2 e y2 pode ser definida como uma equação algébrica em termos de y e x. y x,y x

30. Sistema de coordenadas cartesiano • Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas x, y e z. x,y,z z y x

31. Sistema de coordenadas polar • Qualquer ponto no plano pode ser definido pelas suas coordenadas r, q

32. Sistema de coordenadas esférico • Qualquer ponto no espaço pode ser definido pelas suas coordenadas r, q e j.

33. Conversões entre sistemas

34. Exemplo de utilidade dos sistema de coordenadas Cálculo de distâncias entre pontos

35. Formas de representar a superfície da Terra • 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 à 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.

36. Formas de representar a superfície da Terra • 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

37. Formas de representar a superfície da Terra

38. Sistema de Coordenadas Geográficas • Baseadas numa simplificação da forma da terra (esfera ou elipsóide) • Definem a posição de um ponto utilizando ângulos chamados latitude e longitude

39. Longitude

40. Latitude

41. Problemas do Sistema de Coordenadas Geográficas • Qual é a distância entre o ponto A (56 W e 32 S) do ponto B (45 W e 31 S)? • É possível calcular, considerando que a terra é uma esfera, ou um elipsóide, mas é difícil manualmente.

42. Solução: Projeção para sistema de coordenadas cartesianas x,y

43. 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

44. 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 • Outras, 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

45. Projeções • Distorção de projeção ocorre em: • Forma, área, distância ou direção • Projeções diferentes produzem distorções diferentes. • As características de cada projeção definem sua utilidade para algumas aplicações e inutilidade para outras.

46. 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.

47. Projeção Cilíndrica

49. 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

50. Projeção Azimuthal