Geoprocessamento em Recursos Hídricos HIP 23

1. Geoprocessamento em Recursos HídricosHIP 23 Walter Collischonn

2. Questões de organização • Questões do horário • Local • Proposta • Diversidade de alunos

3. Perfil da turma • Nome • Formação • Onde trabalha? • Já trabalha com SIG? • Por que se interessou pela disciplina? • Conhecimento de inglês. • Quais são as expectativas? • Outras informações que julgar...

4. Proposta • Disciplina de Geoprocessamento em Recursos Hídricos. • Liberdade para utilizar qualquer software. • Experiência pessoal com Idrisi = algumas aulas com Idrisi (Walter). • Experiência pessoal com o SPRING (Alfonso) • Ênfase em desenvolvimento de ferramentas próprias (FORTRAN, VBA, MATLAB, outras linguagens). • Experiências com software gratuito (TAS) • Avaliação: prova e trabalho • Trabalhos de alto nível = formato de artigos.

5. Súmula original da disciplina • Dados georeferenciados: princípios básicos. • Sistema de informações geográficas (SIG): princípios básicos, estrutura, principais sistemas em uso, estrutura de dados para um SIG, pontos, linhas, arcos, nós; organização de dados, formatos raster e vetorial. • Modelo numérico do terreno (MNT) e suas aplicações em Recursos Hídricos: princípios básicos, métodos de interpolação, dados derivados de um MNT. • Métodos de modelagem espacial, integração com dados de sensoriamento remoto, cruzamento de dados. • Aplicações de geoprocessamento a Recursos Hídricos.

6. O que é Geoprocessamento? • Um interessante caso histórico. • Definições normalmente adotadas.

7. Surto de cólera em Londres

8. Surto de cólera em Londres • Poços

9. Surto de cólera em Londres • Poços • Vítimas

10. O culpado • A alavanca, ou braço para bombear água manualmente do poço foi retirada para impedir a população de consumir água.

11. 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.

12. 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.

13. 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”

14. 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.”

15. 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

16. 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

17. ESTRUTURA DE UM SIG Entrada e Integr. Consulta e Análise Visualização Dados Espacial Plotagem Gerência Dados Espaciais BANCO DE DADOS GEOGRÁFICO Interface

18. 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.

19. 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.

20. GEOPROCESSAMENTO - SIGs - SPRING • SPRINGé um SIG que inclui ferramentas de um sistema de Processamento Digital de Imagens (PDI) de sensores remotos. • O SPRING integra na mesma base: • DADOS CARTOGRÁFICOS • DADOS DE CENSO • CADASTRO URBANO E RURAL • IMAGENS DE SATÉLITE • REDES • MODELOS NUMÉRICOS DE TERRENO • Algoritmos p/ manipular, analisar, consultar, recuperar, visualizar e plotar o conteúdo da base de dados geocodificados

21. 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).

22. 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

23. 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 do solo, clima); • Imagens; • Mapas Numéricos(representação de superfícies) • Mapas Cadastrais e Redes(localização de objetos do mundo - e.g. lotes)

24. Importância do geoprocessamento em Recursos Hídricos • Recursos Hídricos – Bacia hidrográfica • Bacia Hidrográfica é um integrador espacial de processos. • Uso dos recursos hídricos – população • População se distribui no espaço de forma heterogênea e dinâmica.

25. 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.

26. 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

27. Mais livros

28. Bibliografia - Manuais • Tutorial do Idrisi • Tutorial e Help do SPRING • Manuais de outros programas

29. Bibliografia - Periódicos • Transactions in GIS • 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...)

30. Bibliografia - Web • Página web Geoprocessamento IPH • Tese de doutorado de Michael de Smith - http://www.desmith.com/MJdS/thesis.htm • http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/mapproj/mapproj.html • Distance transforms as a new tool in spatial analysis, urban planning, and GIS (Environment and Planning B: Planning and Design 2004, volume 31, pages 85-104) • LEITÃO, J.P.; MATOS, J.S.; GONÇALVES, A.; MATOS, J.L. (2005): "Contribution of Geographic Information Systems and Location Models to Planning of Wastewater Systems", Water Science and Technology, Vol. 52, nº 3, 1-8. • Bancos de dados gratuitos na internet: • Imagens de satélite • Modelos digitais de elevação • Produtos derivados (Hydrosheds) • Softwares free (TAS, outros)

31. Tópicos da disciplina • Fundamentos de cartografia • Técnicas de representação em mapas: Vetor/Raster • Fontes de informação para Geoprocessamento • Digitalização • Sensoriamento remoto – Classificação de imagens de satélite • GPS • Outras informações • Onde encontrar dados • Georeferenciamento • Transformações vetor – raster • Algoritmo point in polygon • Interpoladores espaciais • Ferramentas de análise • Álgebra de mapas • Operadores de distância – distancia, buffers • Operadores de contexto – filtros, direção de fluxo, declividade, contexto, variabilidade local • Combinações de ferramentas • Modelos numéricos de terreno, modelos digitais de terreno, modelos digitais de elevação • Aplicações às bacias hidrográficas • Outros parâmetros derivados do MDE: declividade; orientação da vertente; mapas sombreados • Conhecer ArcGIS / Conhecer Idrisi / Conhecer SPRING • Um pouco de FORTRAN • Programa básico para leitura de arquivo, e visualização de imagens em FORTRAN. • Projeção de coordenadas. • Mosaicos de imagens

32. Questões práticas • Acesso a computador? • Acesso a algum software?

33. Avaliação • A avaliação será através de uma prova e de um trabalho individual. • Idéias de cada aluno • Sugestões do professor • Mais acadêmicos • Mais cotidianos • Formato de artigo (ver revista da ABRH) • Prazo de entrega: a combinar

34. Temas para trabalhos • Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; correlação cruzada; outros interpoladores. • Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo. • Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares. • Comparação de qualidade do MNT do SRTM. • Construção de modelos Geoidais regionais • Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada. • Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha. • Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples. • Hidrograma unitário geomorfológico. • Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador. • Rede de drenagem usando TIN. • Discretização de um modelo hidrológico distribuído em sub-bacias. • Formas inovadoras de apresentação de informações quali-quantitativas em mapas

35. Mais temas para trabalhos • Interpolação de chuva: utilizando outras variáveis além da distância; Kriging; outros interpoladores. • Dividir uma área agrícola em lotes com características semelhantes de: solo, acesso água; acesso à estrada; cobertura florestal; áreas propícias para plantio; etc. • Ant colony optimization: possibilidades para cominhos de mínimo custo. • Otimização de área irrigada por pivôs centrais (círculo) em polígonos irregulares. • Comparação de qualidade do MNT do SRTM. • Otimização de redes de estradas para exploração de floresta plantada. • Verificação de conflitos de uso do solo com a legislação sobre área de proteção ribeirinha. • Um modelo hidrológico distribuído simplificado baseado no reservatório linear simples. • Hidrograma unitário geomorfológico. • Avaliação das estimativas de chuva via satélite do hidroestimador. • Rede de drenagem usando TIN. • Rede de mínimo custo (por exemplo estradas para extrair madeira de uma floresta. • Como combinar teoria dos jogos e SIG (problema do trânsito) • Caminhos de mínimo custo em ambiente dinâmico ou probabilístico (como melhor rota para um veleiro que está sujeito à direção do vento e da corrente, que podem variar durante o tempo de viagem) • Problema da locação de uma fábrica de celulose, considerando: 1) ponto próximo à água (com vazão suficiente para abastecer); 2) porto fluvial; 3) transporte marítimo, fluvial, terrestre e qualidade de estradas; 4) Área necessária para produzir as toneladas por ano que são necessárias para justificar a fábrica; 5) Tipos de solos x produtividade por hectare; 6) Chuva x produtividade por hectare; 7) Rede viária existente e por construir. • Problema das transformações de distância em ambiente raster: tese de De Smith. • Buscar exemplos em http://www.ltid.inpe.br/sbsr2005/biblioteca/ • Continuar trabalhos do semestre anterior. • Remoção de depressões usando as idéias de bacias hidrográficas das depressões (elevar depressões até o ponto mais baixo do divisor de águas) (paper de Arge et al. 2003)

36. Sugestão de trabalho: Hidrograma Unitário Geomorfológico baseado nas ordens de Strahler e no modelo de Nash de reservatórios lineares (Rosso, R., 1984 Nash model relation to Horton order ratios. Water Resources Research vol. 20 pp. 914-920. • Sugestão de trabalho: interpolação co-Kriging de temperaturas no RS com base em dados do Atlas da Fepagro e de MNT.

37. Sugestões de trabalhos MINTER • Comparar métodos e programas para preenchimento de depressões e definição de direções de fluxo (continuar trabalho Yuto). • Identificar área acumulada para a qual inicia a rede de drenagem em várias regiões de TO usando Google e SIG. • Comparar Índice de saturação por diferentes métodos.

38. Sugestões de trabalhos 2008 • Um trabalho interessante pode ser verificar a validade da relação área volume encontrada nos açudes de Quarai a partir da análise do MNT do SRTM em locais em que ainda não existem açudes. Idéia do Rodrigo.