Introdução ao SIG

Introdução a Sistema de Informações Geográficas - SIG Universidade Federal de Viçosa Departamento de Solos Rogério Mercandelle Santana

Flying Blind Jul 24th 2003 The Economist

Vivemos em Dois Mundos Auto-Regulado Gerenciado (Bem ou Mal?) Mundo Natural Mundo Construído . . . Estão Cada Vez Mais em Conflito

Bacias Hidrográficas Estados Municípios Distritos Visão Espacial Padrões Ligações Tendências Planejamento Local Visão Global

O Que é SIG ? Sistemas de Informação Geográfica (SIG) é sistema baseado na interação software, hardware, pessoas e informações espaciais. O SIG propicia: criar, editar, pesquisar, analisar e apresentar as informações em um mapa ou no computador.

Definições Um poderoso conjunto de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e exibir dados espaciais do mundo real (Burrough, 1986). Um sistema para capturar, armazenar, controlar, manipular, analisar e visualizar dados que são espacialmente referenciados à Terra (Departamento de Meio Ambiente, 1987). Uma tecnologia de informação que armazena, analisa e exibe tanto espaciais e não espaciais de dados (Parker,1988). Um sistema de base de dados no qual a maioria dos dados são indexados espacialmente, e sobre a qual um conjunto de processos acionados de forma a responder perguntas sobre entidades espaciais na base de dados (Smith et al., 1987). Sistema de apoio à decisão que envolve a integração de dados espacialmente referenciados na resolução de um problema ambiental (Cowen, 1988).

Sistemas de Informação Geográfica Sistema – uma operação que ilimitada que vincula a informação à sua localização geográfica, por meio de hardware,redes software, dados e procedimentos operacionais. Informação – atributos ou características (dados) podem ser usados para melhor descrever uma localização espacial. Geográfica – Localização Espacial - 80% dos dados do governo EUA estão associados a algum localização espacial. ... Não é simplesmente um software! ... Não é usado somente para fazer mapas! Mais de 7.000 universidades ensinam SIG no mundo ( Angela Lee ESRI Education Program)

Quem usa SIG? Organizações Internacionais UN-HABITAT (Programa das Nações Unidas para os Assentamentos Humanos), Banco Mundial, UNEP (Program de Meio ambiente das Nacções Unidas) , FAO (Organização das Nações Unidas para a Agricultura e a Alimentação) , Organização Mundial da Saúde (OMS), etc. Industria Privada Transportes (rotas), bens imobiliários, Seguros, etc. Governo Ministério do Meio Ambiente, Habitação, Agricultura, etc. Municípios, autarquias (SAAE, COPASA, CEMIG), etc. Agências de Planejamento, Parques, transportes, etc Agencias não-governamentais ONG´s WRI - Instituto Mundial de Recursos, WWF, SOS - Mata Atlântida, etc. Universidades e Centrosd de Paequisa LABGEO – UFV, INPE, USGS, IBGE, etc.

As possibilidades são ilimitadas… Estudo de Impacto Ambiental Gestão de Recursos Planejamento do uso do solo Saneamento Básico e rede de distribuição de águas Rotas de Transporte mais ... O que você pode fazer com o SIG?

Como um SIG trabalha? Os dados no SIG possuem referência espacial (geográfica) Descreve uma feição sobre a superfície terrestre usando por exemplo: coordenadas sistema de referencia (datum) seu endereço seu município nome da rua bacia hidrográfica

O SIG armazena informações sobre a superfície terrestre em uma coleção de camadas (layers). Essas se ligam a um banco de dados descritivos e se relacionam umas com as outras por meio de sua localização espacial

O SIG permite a Integração de Dados Estradas Uso da Terra População Serviços Escolas Hospitais Campo de Refugiados Nascentes Saneamento Vetores Topologia Redes - Trajetos Terreno Medições Imagens Desenhos CAD Anotações Endereços 27 Main St. Atributos ABC 107’ Objetos 3D Dimensão

História A 35.000 anos, caçadores representavam animais nas paredes de cavernas próximo a Lascaux, França. Associados aos desenhos dos animais, foram traçados locais de pastagem, repouso e rotas migratórias. Estes primeiros registros representam dois elementos estruturais dos sistemas de informação geográfica (SIG): Um arquivo gráfico ligada a um atributo de dados.

Epidemia de cólera em Londres 1854 Kingston Centre for GIS Bairro Soho Historicamente coube a John Snow, no século XIX, a percepção de que a epidemia de cólera na Londres de então podia estar sendo propagada através do escoamento superficial das águas contaminadas. Recorrendo a mapas nos quais se representavam a distribuição geográfica de mortes por cólera bem como a infra-estrutura de distribuição de águas, em 1854, este pesquisador provou a associação entre mortalidade e regiões drenadas por águas contaminadas. Mortes por cólera Bomba de água +

Informação Espacial Tratada 1854 Kingston Centre for GIS Mortes por cólera Bomba de água +

Existem dois tipos fundamentais de dados Vetoriais Usa coordenadas x,y para definir as feições Para dados discretos representados por pontos, linhas e polígonos Raster (matriciais) Formado por grades e células Usado para dados contínuos como elevações (MDE), declividades, superfícies Os SIG´s possuem ferramentas para utilização correta desses dois tipos de dados

Representação dos dados Raster Vetor Mundo Real

Vetorial Pontos, linhas e polígonos “ Feições” (casa, lago, rede de transmissão, etc.) Atributos (tamanho, tipo, comprimento, etc.) Raster – Grid “ pixels” Localização e valor Imagens de satélite e fotografias áreas são de formato raster Mundo Real

Modelo de Dados Vetoriais Abstração espacial das feições Pontos Linhas Áreas (polígonos) Grava as coordenadas dos vértices Bom para representar objetos com limites bem definidos As relações espaciais podem ser definidas

Modelo de dados Raster Grade regular de células Cada célula representa uma área no terreno Depende da resolução espacial O valor atribuído para cada célula representa seu atributo Declividade Cobertura vegetal Elevação Imagem de Satélites DEMs Utilizado para representar atributos que apresentam mudanças contínuas

Representação Espacial Vetorial Permite ao usuário representar uma localização especifica no espaço geográfico por meio de pontos, linhas e polígonos. Mesmo uma entidade contínua pode ser representada por meio de uma representação vetorial (ex. mapa de solos). Cabe ao usuário determinar de que forma os dados serão utilizados . (X,Y)

Representação Espacial Vetorial Cont. Utilizamos esses três elementos espaciais para representar o mundo real. É importante que o usuário tenha em mente a escala do trabalho, pois feições poligonais em campo poderão, segundo a escala, ser representadas como feições lineares ou até mesmo pontuais. Ponto – Elementos simples Linhas (arcos – Nós conectados por vértices) Polígonos – Conjunto de linhas conectadas Nó Nó Vértice Nó Vértice

Representação Raster ou Matricial Armazena as imagens em linhas e colunas com um valor numérico digital para cada célula. As células são uniformes (mesmo tamanho) e apresentam sua área com sua unidade ao quadrado . O usuário no momento da rasterização (transformação de feições vetoriais para raster) define o tamanho do pixel de trabalho. O tamanho do pixel determinará a precisão e o nível de detalhe da imagem gerada, tendo-se em conta a escala de trabalho. Imagens com pixel muito pequeno são difíceis para armazenamento e manipulação dos dados, o que demanda uma grande rotina computacional, muitas vezes desnecessária ao estudo. Os dados são classificados como “contínuos” (como em uma imagem, ex. MDE, declividade, etc), ou “temático” (onde cada pixel possui um valor relacionado com uma característica ex. solos, cobertura vegetal, etc). Diversos formatos existentes (TIFF, GIF, ERDAS.img etc) Contínuos

Tamanho Menor Célula Maior resolução Maior precisão da feição espacial Apresentação mais lenta Processamento mais lento Arquivo de armazenagem maior Tamanho Maior da Célula Menor resolução Menor precisão na localização da feição espacial Apresentação mais rápida Processamento mais rápido Arquivo de armazenagem menor

Raster vs. Vetor Vantagens - Raster Formato de dado mais comum Operações matemáticas e de overlay mais fáceis Informações de imagens de satélites facilmente incorporadas Melhor para representar dados “contínuos” Vantagens - Vetor Informação com maior precisão em sua posição. Melhor forma de armazenar feições temáticas discretas (ex. Estradas, rios, limites ). Dados mais compactos para armazenamento Podemos associar números ilimitados de atributos com características específicas

Equação Universal de Perdas de Solos A=R.K.L.S.C.P A é a perda de solos em T/(ha.ano) · R é o fator de erosividade das chuvas, em t.h.Mj.mm · K é o fator de erosividade do solo em t.h./(M.J/mm) · L é o fator comprimento de rampa · S é a declividade · C é o fator uso e manejo e · P o fator práticas conservacionistas. QUAL É A MELHOR SOLUÇÃO? VETORIAL OU RASTER? A=R.K.L.S.C.P = X X X X X

Atributos Para o modelo de dados raster, o valor da célula (número digital) é o atributo. Examples: elevação, declividade, cobertura vegetal(?), Solos (?), etc. Para dados vetoriais os atributos são gravados e relacionados (“linkados”) as feições pontos, linhas ou polígonos. Cada dado pode possuir múltiplos atributos para a feição (ex. Latossolo (cor, textura, estrutura. etc.). Torna-se possível realizar análises a partir de cada atributo individualmente. As feições vetoriais estão “linkados” aos atributos através de uma única característica numérica.

!!!! – O uso do software de SIG não dispensa conceitos básicos de cartografia (o que “sai” depende do que “entra” ) Pontos a serem analisados na construção de um mapa e na análise espacial... Escala/Resolução Projeção Princípios cartográficos, design, generalização, etc…

Relações Espaciais Características geométricas individuais de cada feição Comprimento, área, perímetro, forma Relação espacial entre 2 ou mais objetos Distancia, direção, topologia Distribuição espacial dos objetos Como os objetos estão distribuídos no espaço.

Topologias no SIG No contexto do SIG, uma topologia é um conjunto de regras e comportamentos que estipulam como pontos, linhas e polígonos partilham geometrias coincidentes. Por exemplo: Objetos adjacentes, tais como países ou parcelas de terreno, têm uma fronteira comum, isto é, partilham uma aresta. O conjunto de países ou parcelas de terreno adjacentes cobrem completamente (sem sobreposições) uma região do espaço.

No SIG a topologia é usada para garantir a integridade dos dados. Assegura a qualidade dos dados e permite a execução de algumas funções de análise espacial (por exemplo, a operação dissolução). Um modelo de dados topológico representa os objetos espaciais (ponto, linha e polígono) tendo subjacente um grafo composto por nós e arcos. Um arco é definido por 2 nós. O ponto de intersecção de 2 arcos é sempre um nó Nó Arco Nó

Utilização de topologias Uma topologia pode ser utilizada para definir regras de integridade dos dados,tais como: entre parcelas de terreno não podem existir “buracos” parcelas de terreno não podem ser sobrepostas as estradas têm que estar ligadas entre si para suporte de funções de análise espacial que requerem, por exemplo: identificação de objetos adjacentes identificação de objetos ligados para suporte de ferramentas de edição que respeitem as restrições topológicas do modelo de dados, por exemplo: alterar uma aresta comum e, automaticamente, alterar todos os objetos que partilham essa aresta

Funções de edição Para edição de dados respeitando regras topológicas o ArcGIS disponibiliza funções especialmente úteis: snapping – garante arestas ligadas snapping tolerance – definição de uma distância de tolerância para snapping extend – estende uma linha até que esta toque numa feature previamente seleccionada trim – trunca uma linha que é cortada por uma feature previamente selecionada cut polygon – para dividir um polígono em dois auto-complete polygons – garante que 2 polígonos possuem uma aresta comum (isto é, são adjacentes)

Topologia Topologia é definido como a relação espacial entre feições vizinhas ou adjacentes. Tipos de Topologia Linhas que compartilham pontos Topologia Arc-Nó Áreas que compartilham limites Topologia de Polígono Linhas que compartilham segmentos com outras linhas Topologia de rota ou caminho Feições poligonais com sobreposição a outros polígonos Topologia de região ou área Feições Lineares que compartilham seu ponto final com outras feições pontuais Topologia de Nó Feições Pontuais que compartilham vértices com feições lineares Evento de Ponto

Ferramentas Avançadas Extração de dados Cria um subconjunto de feições baseado na extensão geográfica de outro dado Overlays Combinam duas ou mais feições para criar um novo dado Proximidade Busca de áreas que são próximas de uma feição

Operações Fundamentais em SIG Capturar Armazenar Editar Analisar Visualizar Apresentar

Capturar Obtenção de Dados Digitalização Base de Dados GPS Sensoriamento Remoto Scaneamento Outros (Fotos, gráficos, etc.)

Digitalização RMS – Erro Médio Quadrático . Representa o erro nas coordenadas da entre a posição informada e a posição correta ou conhecida. Quanto menor o erro RMS, o mais acurado a digitalização ou transformação.

Base de Dados GEOMINAS www. geominas .mg.gov.br/ IBGE www.ibge.gov.br/home/mapa_site/mapa_site.php#geociencias SRTM The Shuttle Radar Topography Mission http://glcfapp.umiacs.umd.edu:8080/esdi/index.jsp Geonetwork – LABGEO/UFV

GPS/ESTAÇÃO TOTAL Obtenção de coordenadas precisas de pontos, linhas e polígonos de terminando feições vetoriais. A determinação de superfícies contínuas como por exemplo MDE, pode ser gerado no SIG a partir de uma densificação de pontos.

Sensoriamento Remoto Fotografias Aéreas Imagens de Satélite Menor custo Recobrimento periódico Precisão limitada, mas em Evolução. Maior precisão Obtenção de estereoscopia Maior custo

Outros (Fotos, gráficos, etc)

Editar Correção dos erros do processo de entrada de dados

Análise ArcGIS Spatial Analyst ArcGIS Network Analyst ArcGIS 3D Analyst ArcGIS Schematics ArcGIS Geostatistical Analyst ArcGIS Data Interoperability ArcGIS Publisher ArcGIS Survey Analyst ArcScan for ArcGIS ArcGIS Tracking Analyst Maplex for ArcGIS Extensões de Análise para o software ArcGIS ArcMap ArcScene

ArcGIS Spatial Analyst Fornece uma gama de ferramentas de modelagem e análise espacial. Possibilita criar, consultar, analisar, gerar mapas, a partir dos dados célula de base; Realizar análise integrada entre dados vetoriais e raster, Gerar novas informações a partir de dados existentes; Realizar consultas através de múltiplas camadas de dados; Menor Caminho Cria uma superfícies de custo, permitindo compreender o “valor” do deslocamento de um local para outro com base num conjunto de critérios de entrada que especificados. Novos dados Integração Raster - Vetor Menor Custo

Interpolação de superfícies Importante rotina em SIG sendo utilizada na maioria dos estudos

Elev_meters = Elev_feet * 3.2808 Rain_total = Rain_April + Rain_May + Rain_June Outgrid = (Con (elevation > 1000, Slope (elevation * 3.2808))) Álgebra de Mapas

Análise Hidrológica Ferramentas especializadas e modelagem hidrológica. Calculo de fluxo em uma rede de drenagem; Determinação de áreas inundáveis; (alerta durante uma tempestade) Ferramentas utilizam além modelagem de superficie também a modelagem de fluxo de águas subterrâneas que levam em conta conceitos hidro-geológicos. Modelo de dispersão de um produto químico ao longo do fluxo.

Análise densidade Mapa de densidade de campos de golfe em Phoenix, Arizona. A função densidade distribui uma quantidade de medida uma camada de entrada em torno de um ponto para produzir uma superfície contínua.

Medidas de distância em linha reta (Euclidiana) e distância medida em termos de outros fatores como o declive, infra-estrutura rodoviária e uso da terra (distancia de custo). A distância euclidiana e distância custo são duas principais formas de análise. A distância euclidiana determina a linha reta fonte destino,determinar a atribuição, mas também é possível calcular a distância e à direção da fonte mais próxima. A distancia de custo equivale ao custo de se “viajar” através de uma determinada célula. Exemplo: Escalar uma montanha versus realizar uma caminhada. Análise de Distância

ArcGIS Network Analyst Permite criar e realizar análise em uma rede de dados, incluindo rotas, direções de viagem, e analise de áreas de serviços. Permite modelar de forma realista as redes com condicionantes de incluindo limites de velocidade, altura (viadutos) e condições de tráfego, em diferentes momentos do dia. . Análise de tempo de viagem Rota Ponto-a-Ponto Direções das Rotas Definição de área de serviços Caminho mais curto Melhor rota Serviço mais próximo Análise Origem-Destino O custo inicial de implantação de uma rede é elevado, onde as variáveis devem ser obtidas em campo com estudos especializados.

Atendimento Emergência Médica

Melhor rota de resposta para uma chamada emergencial

Gerenciamento de uma complexa de transporte público

ArcGIS 3D Analyst Permite visualizar e analisar eficazmente os dados superficiais. Possibilidades: Ver uma superfície a partir de múltiplos pontos de vista; Determinar o que é visível a partir de uma localização escolhida em uma superfície; Criar uma perspectiva realista de uma superfície baseado em uma imagem raster e dados vetoriais; Navegar continuamente pelo terreno analisado; Fazer a análise espacial em duas ou três dimensões; Usar modelos tridimensionais e símbolos reais; Gerar vídeos das análises.

SID em Rápida Evolução Projetos Sistemas Redes Integrados Coordenados Cooperativos Sociedade Colaborativos

… todos participam! Trabalhos Integrados…

Agricultura Arqueologia Arquitetura Business Ciências da Computação Ciências Ambientais Engenharia Jornalismo Ciências Militares Aplicações do SIG Gerenciamento de recursos Naturais Geografia Geologia Meteorologia Oceanografia Saúde Pública Historia Sociologia Planejamento Urbano

Realidade de duas cidades A formal e a informal Utilização de SIG para ambas Pesquisa: Rosario Giusti de Perez SIG para planejamento de áreas carentes

SIG para planejamento de áreas carentes A falta de espaço público aberto. Barrios tem uma percentagem de espaço público entre 5% e 10%. Na cidade a média de espaço total constituem mais de 30% do total do espaço. Carência urbana medido em termos de quantidade e qualidade do espaço público. A ausência de infra-estrutura adequada, Mobiliário urbano e de manutenção que combinada produz condições inseguras e insalubres .

A Morfologia complexa requer: Conhecer o ordenamento físico atual Identificar a ordem social conforme os laços apresentados pela comunidade, que geralmente não tem vínculos com o ordenamento físico O melhora do ordenamento está baseado em uma revisão detalhada das atuais construções. SIG para planejamento de áreas carentes

Sustentabilidade preservando Os pequenos grupos sociais Analise de rede social e dos laços comunitário Topologia da rede social existente SIG para planejamento de áreas carentes

Agricultura Gestão Agrícola Monitoramento de Pragas/Doenças Monitoramento de Culturas Previsão de Safra Análise de Solos

Gerenciamento de Recursos Naturais Florestas Ecologia Mineração Petróleo Recursos Hídricos

Planejamento e Desenvolvimento Econômico Zoneamento e Uso da Terra Prontidão a Emergências Previsão de Crescimento Populacional Análise de Mercado Avaliação de Imóveis Transporte

Monitoramento Ambiental de Pluma Tóxica

Vários formas de apresentação de dados

Mancha de Óleo de Contaminação

Modelagem de Tendências Futuras (Cenários)

Agrupamento e Comparação de Dados

Decisão Saída Análise SIG Geração de dados Definição do critério SIG Definição do Problema CICLO SIG

Mundo Real Coleção de Dados Fonte de Dados Entrada de Dados Gerenciamento de Dados Análise e Envio de dados Análises Informação para Tomada de decisão Usuários Tomada de decisão CICLO SIG

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