Livro Introducao Ao Geoprocessamento

UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS EXPERIMENTAL DE OURINHOS CURSO DE GEOGRAFIA

INTRODUÇÃO AO GEOPROCESSAMENTO

PROF. DR. EDSON LUÍS PIROLI

Ourinhos, SP Outubro / 2010

© Edson Luís Piroli

P671i Piroli, Edson Luís Introdução ao geoprocessamento / Edson Luís Piroli. Ourinhos : Unesp/Campus Experimental de Ourinhos, 2010. 46 p. : ils. ISBN: 9788561775056 1. Geoprocessamento 2. SIG (Sistema de informações Geográficas (SIG) 3. Sensoriamento remoto 4. Geografia 5. Sistema Geodésico de Referência. I. Piroli, Edson Luís. II. Título. CDD 550.285

Universidade Estadual Paulista, Campus Experimental de Ourinhos 19910-206 – Ourinhos – SP Telefone: (14) 3302-5700 Fax: (14) 3302-5702

PROF. DR. EDSON LUÍS PIROLI Responsável pelas disciplinas : Graduação: Geoprocessamento, Sensoriamento Remoto, Interpretação de Fotografias Aéreas Pós Graduação: Manejo de Microbacias Hidrográficas [email protected]

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© Edson Luís Piroli

P671i Piroli, Edson Luís Introdução ao geoprocessamento / Edson Luís Piroli. Ourinhos : Unesp/Campus Experimental de Ourinhos, 2010. 46 p. : ils. ISBN: 9788561775056 1. Geoprocessamento 2. SIG (Sistema de informações Geográficas (SIG) 3. Sensoriamento remoto 4. Geografia 5. Sistema Geodésico de Referência. I. Piroli, Edson Luís. II. Título. CDD 550.285

Universidade Estadual Paulista, Campus Experimental de Ourinhos 19910-206 – Ourinhos – SP Telefone: (14) 3302-5700 Fax: (14) 3302-5702

PROF. DR. EDSON LUÍS PIROLI Responsável pelas disciplinas : Graduação: Geoprocessamento, Sensoriamento Remoto, Interpretação de Fotografias Aéreas Pós Graduação: Manejo de Microbacias Hidrográficas [email protected]

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SUMÁRIO

1.

I N T ROD U ÇÃ O .......................................... ................................................................ ............................................ ............................................ ...................... 4

2.

GE OPROCE OPR OCE SSA SSA M E N TO ........................................... .................................................................. ............................................. ......................... ... 5

................................................ .. 5 2.1.Principais componentes do geoprocessamento: geoprocessamento: ............................................... ............................................................................. ............................................ ...................... 5 2.1.1- Informática:. ....................................................... .................................................. ...... 5 2.1.2. Sistemas de informações geográficas (SIG) ............................................. ............................................................................ ............................. ...... 6 2.1.3 - Sensoriamento remoto ...................................................... ..................................................... 6 2.1.4 - Sistema de posicionamento global (GPS) ..................................................... ................................................................... ............................................ ..................... 7 2.1.5 - Cartografia digital ............................................ .......................................................... ............. 7 2.1.6 - Topografia e levantamentos de campo ............................................. ............................................................... .............. 8 2.1.7 - Processamento digital de imagens i magens .................................................. ......................................................... ..................... 8 2.1.8 – Profissional Profissional capacitado (Peopleware) .................................... 3. CONH CONH ECI M ENTOS FU NDAM ENTA I S PARA PARA O GEOPRO GEOPROCES CESS SAM ENTO ... ...... ... 8 3.1 - Sistema geodésico de referência ......................................... ............................................................... ................................. ........... 8 3.2 - Sistema geodésico brasileiro brasil eiro (SGB)............................................ ................................................................... ......................... .. 9 3.3 – Superfície Superfície de referência (elipsóide e geóide) ...................................................... ...................................................... 9 3.4 - Datum Córrego Alegre Al egre ....................... ............................................. ............................................. .......................................... ................... 10 3.5 – Astro Datum Chuá ......................... ................................................ ............................................. ............................................ ........................ 10 3.6 - Datum Sul Americano de 1969 ( South American Datum - SAD 69)................. 11 3.7 - Sistema de Referência Geocêntrico para a América do Sul - SIRGAS ............. ............. 11 3.8 - WGS 84 ( World Geodetic System 1984) ............................................ ............................................................ ................ 11 3.9 - Transformações entre sistemas de referência ............................................. ..................................................... ........ 12 3.10 – Sistemas de Coordenadas ............................................................ ................................................................................ .................... 12 ............................................................... ............................... ......... 13 3.10.1 - Coordenadas Geográficas ......................................... ................................................................................... ....................... 13 3.10.2 - Coordenadas UTM ............................................................. 4. SISTE SI STEM M AS DE I N F ORM A ÇÕE S GEOGRÁF GE OGRÁF I CAS CA S .......... ............... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 14 4.1 - Definições de SIG ............................................. ................................................................... ............................................ ........................... ..... 15 4.2 - Opções de Sistemas de Informações Geográficas .......................................... .............................................. .... 17 4.3 - Operações sobre s obre dados da dos em SIG........................................... .................................................................. ............................... ........ 21 4.4 - Tipos de operações realizadas sobre os dados ................................................... ................................................... 21 ............................................................... .......................................... .................... 21 4.4.1 – Aplicações Aplicações dos SIGs ......................................... .................................................................... ....................... 22 4.4.2 – Áreas Áreas de Aplicações dos SIGs ............................................. ............................................................. ......... 22 4.4.3 – Exemplos Exemplos de Aplicações dos SIGs ..................................................... 4.4.4 – Exemplos Exemplos de produtos gerados a partir do uso de SIGs ............................ 23 4.5 – Diferença Diferença entre sistemas CAD, CAM , AM/FM e SIG ..................................... ..................................... 27 .................................................................. ............................................ ........................... ..... 27 4.5.1 – Sistemas Sistemas CAD ............................................ ................................................................................ .................................. ............ 28 4.5.2 – Sistemas Sistemas CAM . .......................................................... .................................................................. ............................................. ...................... 28 4.5.3 – Sistemas Sistemas AM/FM ........................................... 5. B A SE D E D A D OS ............................................ .................................................................. ............................................ ................................... ............. 28 5.1 – Estruturas Estruturas de representação r epresentação de dados espaciais espacia is ............................................. ................................................. .... 29 ................................................................ ............................................ .......................................... .................... 29 5.1.1 – Raster Raster .......................................... ................................................................... ............................................. .................................. ............ 31 5.1.2 – Vetoriais Vetoriais ............................................ 5.2 – Fontes Fontes de dados para geoprocessamento ................................. ....................................................... .......................... .... 32 6. OPE RAÇ RA ÇÕE S BÁS B ÁSII CAS CA S DO D O GE OPROCE SSAM SSAM E N TO .......... ............... .......... .......... .......... .......... ......... ...... 33

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6.1 – Georreferenciamento de imagens ................................ ...................................................... ...................................... ................ 33 ................................................ .... 35 6.1.1 – Importância Importância da georreferência de imagens............................................ 6.2 – Classificação Classificação de imagens de Sensoriamento Remoto........................................ Remoto........................................ 38 ........................................................ .................................. ............ 38 6.2.1 – Classificação Classificação supervisionada ................................... ............................................................. ......... 40 6.2.2 – Classificação Classificação não supervisionada ..................................................... ................................................................ .................... 40 6.2.3 – Classificação Classificação por análise visual ............................................. 6.3 – Modelo numérico do terreno te rreno (MNT) .......................................... ................................................................. ....................... 40 6.4 – Fusão Fusão de imagens multiespectrais e pancromáticas pancromát icas .......................................... .......................................... 41 6.5 – Operações aritméticas com mapas .......................................... ................................................................. ........................... .... 42 REF ERÊNCI AS E BI BL I OGRAF I A COM PL EM EN TA R .... ...... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .. 45

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1. INTRODUÇÃO

Este material foi desenvolvido com a finalidade de oferecer aos alunos da disciplina de Geoprocessamento uma fonte básica de consulta para ser utilizada ao longo das aulas. Nele busca-se apresentar o geoprocessamento de uma maneira clara, ampla e relativamente aprofundada, tentando desta forma sintetizar o conhecimento relativo ao tema, de tal forma que aquele aluno que está tendo o primeiro contato com o assunto possa entendê-lo e consiga acompanhá-lo, formando assim uma base sólida para que na sequência tenha condições de buscar o aprofundamento teórico e prático necessários para a boa atuação nesta área do conhecimento. O Geoprocessamento tem como uma de suas principais características integrar uma série de conhecimentos específicos, que quando unidos possibilitam ao profissional desenvolver atividades em diversas áreas do conhecimento, tornando-se um campo promissor e bastante atraente profissionalmente. Esta característica, no entanto, o torna relativamente complexo, pois exige que o estudante entenda e posteriormente domine conceitos e técnicas de várias ciências. Espera-se com este texto auxiliar na compreensão, facilitando assim o aprendizado dos acadêmicos. Este material, no entanto, não deve ser a única fonte de consulta, uma vez que o mesmo não tem a pretensão de esgotar os assuntos tratados, mas sim criar a base para que a formação completa seja construída por cada um no seu dia-dia.

4 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

2. GEOPROCESSAMENTO O termo pode ser separado em geo (terra – superfície – espaço) e processamento (de informações – informática). Desta forma, pode ser definido como um ramo da ciência que estuda o processamento de informações georreferenciadas utilizando

aplicativos

(normalmente

SIGs),

equipamentos

(computadores

e

periféricos), dados de diversas fontes e profissionais especializados. Este conjunto deve permitir a manipulação, avaliação e geração de produtos (geralmente cartográficos), relacionados principalmente à localização de informações sobre a superfície da terra.

2.1.Principais componentes do geoprocessamento: 2.1.1- Informática: Foi a evolução da informática que permitiu o desenvolvimento das geotecnologias, uma vez que esta está baseada nos computadores e nos aplicativos neles instalados. Estes permitem o trabalho com os grandes volumes de dados necessários nos diferentes projetos desenvolvidos em geoprocessamento. Os computadores trabalham bem com rotinas que para serem realizadas pelos homens poderiam tomar muito tempo, o que os torna imprescindíveis nas análises geográficas. A informática está dividida em Hardware – que corresponde ao computador e aos periféricos utilizados para que as operações de geoprocessamento sejam efetuadas, e em Software – que são os aplicativos que fornecem as rotinas e módulos necessários para adquirir, armazenar, analisar, visualizar e plotar as informações geográficas.

2.1.2. Sistemas de informações geográficas (SIG) Os SIGs são sistemas de informações destinados a trabalhar com dados referenciados a coordenadas espaciais. São normalmente constituídos por programas e processos de análise, que tem como característica principal relacionar uma informação de interesse com sua localização espacial. Estes aplicativos permitem a manipulação de dados geograficamente referenciados e seus respectivos atributos e a integração desses dados em diversas operações de análise geográfica. Os SIGs normalmente tem três aplicações fundamentais na área geográfica: 5 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

1 – Podem ser usados como ferramenta para produção de mapas, e ainda para geração e visualização de dados espaciais; 2 – Podem ser usados como suporte para análise espacial de fenômenos e para a combinação de informações espaciais, e; 3 – Podem ser usados como bancos de dados geográficos, que tem funções de armazenamento e recuperação de informações espaciais. Devido a sua importância para o geoprocessamento os SIGs serão melhor discutidos no item 4 deste material.

2.1.3 - Sensoriamento remoto De acordo com Jensen (2009) sensoriamento remoto pode ser definido como a medição ou aquisição de informação de alguma propriedade de um objeto ou fenômeno, por um dispositivo de registro que não esteja em contato físico ou íntimo com o objeto ou fenômeno em estudo. O sensoriamento remoto pode ser dividido em: Orbital – quando as informações são coletadas por sensores localizados em órbitas ao redor do planeta, coletando informações da superfície a determinados intervalos de tempo e de espaço. Os exemplos mais comuns são as imagens de satélite. Sub-orbital – quando é realizado por equipamentos aerotransportados não localizados em órbitas. Entre estes, destacam-se os sensores aerotransportados, que utilizam para deslocamento aviões, balões, ou veículos aéreos não tripulados (principalmente aeromodelos). Os produtos mais comuns do sensoriamento remoto sub-orbital são as fotografias aéreas.

2.1.4 - Sistema de posicionamento global (GPS) O sistema GPS é constituído de uma constelação de pelo menos 24 satélites que orbitam a terra a 20.200km de altitude, cada um passando sobre o mesmo ponto da superfície terrestre duas vezes por dia. Estes satélites emitem sinais de rádio que são captados pelo aparelho de GPS, que em função da localização dos satélites, calcula e informa a coordenada de qualquer ponto da superfície da terra. Os aparelhos GPS permitiram grandes avanços relativos às formas de mapeamento da superfície da 6 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

terra, uma vez que oferecem a possibilidade de automatização da coleta de informações, o que melhora e acelera os processos de análises de áreas.

2.1.5 - Cartografia digital Os mapas e cartas topográficas, quando transformados em imagens, fornecem informações preciosas para o geoprocessamento. Normalmente são usados como fonte de dados para o mesmo e se beneficiam das informações geradas por este. Muitos mapas estão disponíveis no formato analógico (em papel). Estes podem ser convertidos para o formato digital utilizando-se scanners. Neste caso, deve-se tomar cuidado com a resolução adotada no processo de conversão, buscando-se evitar resoluções muito baixas, o que pode comprometer a qualidade das informações. Também deve-se analisar bem o uso de resoluções muito altas, pois muitas vezes as mesmas não agregam qualidade ao produto, aumentando somente o tamanho dos arquivos gerados. Este problema pode ser evitado, calculando-se a resolução em função da escala dos mapas, cartas ou fotografias aéreas e adotando-se esta para a definição da resolução do produto digitalizado.

2.1.6 - Topografia e levantamentos de campo Embora a tecnologia esteja bastante evoluída e as fontes de dados hoje disponíveis sejam diversas, a complementação e a confirmação das informações no campo, ainda são parte fundamental da maioria dos projetos de geoprocessamento. Além disso, as escalas dos materiais disponibilizados muitas vezes não permitem o detalhamento exigido para determinados fins. A topografia permite o levantamento de informações com a qualidade requerida, principalmente em pequenas áreas. No caso de áreas urbanas, por exemplo, são os levantamentos topográficos que fornecem as bases de dados para os projetos de mapeamento. Embora hoje existam imagens de satélite de alta resolução, o custo das mesmas e as dificuldades na sua obtenção muitas vezes fazem com que a utilização das técnicas de topografia seja a solução para levantamentos de informações localmente.


2.1.7 - Processamento digital de imagens Este pode ser definido como sendo as transformações e adaptações realizadas para modificar uma imagem com a finalidade de ajustá-la à necessidade de um determinado

trabalho.

Os

processamentos

mais

comuns

usados

em

geoprocessamento são as composições de bandas de imagens de satélite, correções atmosféricas, aplicações de filtros e de contrastes, elaboração de fusões de imagens, transformações e restituições, classificações de imagens, reclassificações, entre outros. Dominar estas técnicas e saber em que casos aplicá-las, é um dos fatores mais importantes no trabalho com geoprocessamento.

2.1.8 – Profissional capacitado (Peopleware) Todo conjunto de ferramentas e tecnologias apresentado anteriormente de nada adiantam se não houver o profissional especializado, com capacidade para aplicar os recursos tecnológicos disponíveis, integrar o uso das diferentes metodologias e interpretar os resultados do trabalho desenvolvido.

Após

esta

breve

descrição,

pode-se

afirmar

que

o

objetivo

do

Geoprocessamento é utilizar o conjunto ou parte dos segmentos apresentados, fornecendo ferramentas para que os diferentes usuários determinem as características, e a evolução espacial e temporal de um fenômeno geográfico. Além disso, permitir a análise das inter-relações entre diferentes fenômenos de interesse.

3. CONHECIMENTOS FUNDAMENTAIS PARA O GEOPROCESSAMENTO O desenvolvimento das atividades nesta área requer alguns conhecimentos básicos vindos de outras ciências, sobretudo da cartografia e da geodésia. É fundamental que o profissional saiba o que é e como pode ser utilizado um sistema geodésico de referência e um sistema de coordenadas.

3.1 - Sistema geodésico de referência Um Sistema Geodésico de Referência (SGR) é definido com base num conjunto de parâmetros e convenções, junto a um elipsóide ajustado às dimensões da Terra e devidamente orientado, constituindo um referencial adequado para a atribuição de 8 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

coordenadas a pontos sobre a superfície física. Quando um referencial é definido e adotado por convenção, a etapa seguinte é caracterizada pela coleta de observações a partir de pontos devidamente materializados sobre a superfície terrestre (rede). Fazem parte do referencial, ainda, o processamento e análise, bem como a divulgação dos resultados, que é, essencialmente, um conjunto de coordenadas associado a uma época em particular. As coordenadas podem vir acompanhadas de suas respectivas velocidades. Esse conjunto materializa o sistema de referência. (MONICO, 2000).

3.2 - Sistema geodésico brasileiro (SGB) O SGB foi implantado a partir da década de 1940. Caracteriza-se por um conjunto de estações que representam a base horizontal e vertical para a localização e representação cartográfica no território brasileiro. A responsabilidade por sua implantação e manutenção é do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) através de seu Departamento de Geodésia. Sua materialização é feita a partir das Redes Geodésicas Brasileiras (RGB), que são a rede Horizontal, rede Vertical e a rede Tridimensional (Rede Nacional GPS, Rede Brasileira de Monitoramento Contínuo - RBMC). Estas são formadas pelos conjuntos de estações e coordenadas geodésicas. O sistema geodésico brasileiro, assim como os sistemas utilizados em outros países, é gerado a partir da definição de uma superfície de referência ou elipsóide.

3.3 – Superfície de referência (elipsóide e geóide) O elipsóide é a superfície de referência para os cálculos de posição, distâncias, direções e outros elementos geométricos da cartografia (ROCHA, 2000). Pode ser definido como uma superfície matemática regular representada por um elipsóide de revolução, sem significado físico. Tem aplicação no sistema GPS. O geóide pode ser conceituado como uma superfície coincidente com o nível médio dos mares e gerada por um conjunto infinito de pontos, cuja medida do potencial do campo gravitacional da Terra é constante e com direção exatamente perpendicular a esta (FITZ, 2008).


Considera-se que o geóide representa melhor a superfície real do planeta Terra, por ter significado físico. No entanto, não é modelável matematicamente e não é aplicável ao sistema GPS. As superfícies de referência fornecem as condições para que sejam estabelecidos os sistemas de referência (datuns). Estes podem ser verticais e horizontais. O datum vertical (altimétrico) brasileiro oficialmente adotado é o Marégrafo de Imbituba, localizado na cidade de mesmo nome em Santa Catarina. Com relação aos datuns horizontais, nosso país está atualmente numa fase de transição entre o SAD/69 e o SIRGAS (na sequência, os dois serão melhor definidos). No entanto, temos ainda muitas bases cartográficas no Datum Córrego Alegre e algumas no Datum Astro Chuá. Por conta disso, faremos uma breve descrição de cada um deles a seguir.

3.4 - Datum Córrego Alegre Este datum foi oficialmente adotado pelo Brasil no período compreendido entre as décadas de 1950 e 1970. Na definição deste sistema adotou-se como superfície de referência o Elipsóide Internacional de Hayford de 1924, com semi-eixo maior a = 6.378.388 m, semi-eixo menor b = 6.366.991,95 m e achatamento f = 1/297000745015 (IBGE, on line). Neste datum o ponto de origem é o vértice Córrego Alegre, no qual o posicionamento e a orientação do elipsóide de referência foram feitos astronomicamente.

3.5 – Astro Datum Chuá No período entre o final da utilização do datum Córrego Alegre e o início do uso do SAD 69, foi adotado um sistema de referência provisório denominado Astro Datum Chuá, no qual foram editadas algumas cartas topográficas. Este sistema tinha como ponto de origem o vértice Chuá e como elipsóide de referência o Hayford. O mesmo foi estabelecido com o propósito de ser um ensaio ou referência para a definição do SAD 69. Suas características básicas são semi-eixo maior a = 6.378.388 m, semi-eixo menor b = 6.378.160 m e achatamento f = 1/297000 (IBGE, on line) 10 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

3.6 - Datum Sul Americano de 1969 ( South American Datum - SAD 69) O datum sul americano foi desenvolvido para ser um sistema de referência único para a América do Sul. Na definição do sistema adotou-se como modelo geométrico da Terra o Elipsóide de Referência Internacional de 1967, recomendado pela Associação Internacional de Geodésia (International Association of Geodesy - IAG), com semi-eixo maior a = 6.378.160,000 m, com semi-eixo menor b = 6.356.774,72 m e com achatamento (1/298,247167427) aproximado para o valor f = 1/298,25. Este é o sistema de referência adotado atualmente no Brasil. No entanto, o mesmo deverá ser substituído pelo SIRGAS até o ano de 2015.

3.7 - Sistema de Referência Geocêntrico para a América do Sul - SIRGAS O SIRGAS foi criado na Conferência Internacional para Definição de um Datum Geocêntrico para a América do Sul, realizada em outubro de 1993 em Assunção, Paraguai, que teve como objetivos (IBGE, on line): a) definir um sistema de referência geocêntrico para a América do Sul; b) estabelecer e manter uma rede de referência, e c) definir e estabelecer um datum geocêntrico. Buscou-se essa integração uma vez que ocorrem ainda diversos problemas entre os países da região, sobretudo aqueles relacionados às suas fronteiras. Além disso, espera-se facilitar a integração e o intercâmbio de dados entre os países. As características do sistema de referência SIRGAS foram definidas a partir da materialização do International Terrestrial Reference System (ITRS) na América do Sul via estações GPS, com modelo geométrico geocêntrico formado por eixos coordenados baseados no ITRS e parâmetros do elipsóide de referência GRS80 (Geodetic Reference System 1980), que utiliza como parâmetros o raio equatorial da Terra a = 6.378.137m, semi-eixo menor (raio polar) b = 6.356.752,3141 m e fator de achatamento

=

1/298,25722210.

3.8 - WGS 84 (World Geodetic System 1984) Devido à utilização crescente do GPS, o datum por ele utilizado também passou a ser estudado e considerado no Brasil. Este usa como elipsóide de referência o GRS80 11 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

(Geodetic Reference System 1980) e tem como características básicas o semi-eixo maior a = 6.378.137, o semi-eixo menor b = 6.356.752,31425 com um fator de achatamento

= 1/298,25722356.

3.9 - Transformações entre sistemas de referência Muitas vezes nos deparamos com situações em que necessitamos transformar coordenadas de um sistema de referência (datum) para outro. Os parâmetros oficiais para a transformação de WGS 84 para SAD 69, são os seguintes: Translação em X (ΔX) = 66,87 m ± 0,43 m Translação em Y (ΔY) = -4,37 m ± 0,44 m Translação em Z (ΔZ) = 38,52 m ± 0,40 m Não existem parâmetros de transformação entre o Sistema Córrego Alegre e o WGS 84, devendo ser feita uma transformação intermediária para SAD 69, no caso de necessidade. Os parâmetros de transformação do Sistema Córrego Alegre para o SAD 69 são: Translação em X (ΔX) = -138,70 m Translação em Y (ΔY) = 164,40 m Translação em Z (ΔZ) = 34,40 m Os parâmetros de transformação do Sistema SAD 69 para o Astro Chuá são: Translação em X (ΔX) = 77,00 m Translação em Y (ΔY) = -239,00 m Translação em Z (ΔZ) = -5 m

3.10 – Sistemas de Coordenadas Os sistemas de coordenadas são gerados a partir dos sistemas de referência, e estes a partir da figura de um elipsóide. As coordenadas permitem a localização precisa de pontos sobre a superfície da Terra. O geoprocessamento, a partir do uso dos SIGs permite a utilização de diversos sistemas de coordenadas. No Brasil, os dois sistemas oficialmente adotados são o de coordenadas geográficas, baseado em coordenadas geodésicas e o UTM, baseado em coordenadas plano-retangulares.


3.10.1 - Coordenadas Geográficas As coordenadas geográficas de um mapa são resultado da aplicação de um sistema sexagesimal, com origens sobre o meridiano de Greenwich e sobre o Equador. Os valores dos pontos são expressos pela sua latitude e por sua longitude. As unidades de representação destes valores são o grau, minuto e segundo, acompanhados da informação do hemisfério onde se encontram: norte ou sul para a latitude e leste ou oeste para longitude. Além disso, deve-se usar sinal positivo (para N e E) ou negativo (para W e S). Neste caso, quando a latitude está localizada ao sul do equador, seu sinal é negativo. Da mesma forma, quando a longitude está localizada a oeste de Greenwich, seu sinal também é negativo.

3.10.2 - Coordenadas UTM As coordenadas UTM (Universal Transversa de Mercator) são amplamente utilizadas em trabalhos de geoprocessamento, devido às suas características de adotar paralelos e meridianos retos e eqüidistantes. A representação das coordenadas em valores métricos é outro aspecto que facilita a interpretação das informações, e seu uso. Neste sistema, a Terra, representada por um elipsóide de revolução, foi dividida em sessenta fusos de 6º de longitude, numerados de 1 a 60, com origem no antimeridiano de Greenwich, em sentido anti-horário para um observador situado no polo norte. As coordenadas leste-oeste são determinadas a partir do meridiano central de cada fuso, iniciando com o valor 500.000 metros no fuso central, reduzindo no sentido oeste e aumentando para leste. Neste caso, sempre que adotarmos este sistema de coordenadas, devemos levar em consideração o fuso em que estamos trabalhando e informá-lo nos resultados obtidos. A Figura 1 apresenta a distribuição dos fusos UTM no Brasil. Com relação à latitude a divisão consiste em zonas de quatro graus, identificadas com as letras do alfabeto, iniciando com a letra A no equador, aumentando para o Sul. O valor das coordenadas norte-sul começa a ser contado em 10.000.000 de metros no equador, diminuindo para o Sul.


Figura 1 - Fusos UTM para o Brasil. Fonte: AGUIRRE (1997). In: Becker et al, 1998.

4. SISTEMAS DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS Os sistemas de informações geográficas são aplicativos de computador que devem ter como característica principal a capacidade de efetuar análise de informações geográficas e sua representação espacial. Para entendermos a evolução dos SIGs, faremos um breve histórico desde seu princípio até hoje. O desenvolvimento dos sistemas de informações esteve sempre ligado às possibilidades oferecidas pela informática. Pode-se dizer então, que os SIGs tiveram sua origem desde o surgimento do primeiro computador, na década de 1940, o ENIAC (Eletronic Numerical Integrator and Computer ) desenvolvido na Universidade da Pensilvânia, nos Estados Unidos. Na década de 1950 começaram os processos de automatização da produção de mapas na Inglaterra para a representação de informações relacionadas à botânica, e nos Estados Unidos, na cidade de Detroit, com softwares que espacializavam o volume e auxiliavam na organização do tráfego da cidade. Em 1960 foi criado na Universidade de Washington o primeiro centro de pesquisas e desenvolvimento de SIG. Em 1964 foi desenvolvido o primeiro SIG para o inventário das terras do Canadá, o Canadian GIS. No ano de 1967 o censo dos EUA foi 14 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

efetuado com apoio do GBF/DIME (Geographic Base File/Dual Independent Map Encoding). A partir da década de 1970 houve grande avanço no desenvolvimento de hardware (processadores e equipamentos) surgindo naquela época os termos SIG & CAD. Na década de 1980 houveram importantes avanços na microinformática. Foram criados diversos centros de pesquisa em SIG (inicialmente acadêmicos), havendo também aumento considerável do uso da informática e do uso comercial dos SIGs. Em 1982 foi Lançado o Arc/Info pela ESRI (Enviromental Systems Research Institute), software até hoje muito difundido ao redor do mundo. Em 1987 a universidade de Clark, no estado do Massachusets lançou o Idrisi. Em termos de Brasil, o início do uso dos SIGs ocorreu na década de 1980, tendo tido como precursor o SAGA (Sistema de Análise Geo-Ambiental), desenvolvido na UFRJ. Nesta década também o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) passou a desenvolver o SITIM (1984-1990), e em seguida, o SPRING. Atualmente temos diversos SIGs disponíveis no mercado, incluindo alguns de distribuição gratuita, como é o caso do SPRING. Todos tem evoluído muito em termos de qualidade dos produtos gerados e também na facilidade de operação. Além disso, tem surgido softwares híbridos que possibilitam o acesso à informações e inclusive a ferramentas de consulta via web, como é o caso do Google Earth, por exemplo.

4.1 - Definições de SIG De acordo com Burrough & McDonnell (2004) é “um conjunto poderoso de ferramentas para coletar, armazenar, recuperar, transformar e visualizar dados sobre o mundo real para um objetivo específico ” Já Eastman (1998) define SIG como “um sistema assistido por computador para a aquisição, armazenamento, análise e visualização de dados geográficos”. Rocha (2000) define SIG como Um sistema com capacidade para aquisição, armazenamento, tratamento, integração, processamento, recuperação, transformação, manipulação, modelagem, atualização, análise e exibição de informações digitais georreferenciadas, topologicamente estruturadas, associadas ou não a um banco de dados alfanumérico. 15 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

Fitz (2008) define SIG como Um sistema constituído por um conjunto de programas computacionais, o qual integra dados, equipamentos e pessoas com o objetivo de coletar, armazenar, recuperar, manipular, visualizar e analisar dados espacialmente referenciados a um sistema de coordenadas conhecido. Para Teixeira, Moretti e Christofoletti (1992) É um sistema de informação geográfica que utiliza uma base de dados computadorizada que contêm informação espacial, sobre a qual atuam uma série de operadores espaciais. Estes sistemas são constituídos por uma série de programas e processos de análise, cuja característica principal é focalizar o relacionamento de determinado fenômeno da realidade com sua localização espacial. Para que um SIG desenvolva todas as atividades necessárias, o mesmo deve integrar numa mesma base, dados provenientes de mapas e cartas topográficas, dados de censo, informações de cadastro urbano e rural, imagens de satélites, informações de redes e modelos numéricos de terreno. Deve ter ainda algoritmos para manipular, analisar, consultar, recuperar, visualizar e plotar o conteúdo da base de dados geocodificados. Ao se definir um SIG para ser adotado em um determinado projeto deve-se observar alguns aspectos relativos ao hardware, como: número de usuários, forma e nível de compartilhamento dos dados, desempenho necessário para atender as demandas, quais hardwares suportam quais softwares, relações custos desempenho ou custo benefício, previsão de expansão do sistema, centralização ou descentralização das bases de dados e interfaces com outros sistemas. Já, com relação ao software, deve-se observar seus componentes, como: a interface com usuário, formas de entrada e integração de dados, funções de processamento gráfico e de imagens, capacidade de visualização e de plotagem, e a capacidade de armazenamento e recuperação de dados organizados sob a forma de banco de dados geográficos. 16 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

Outro aspecto importante a ser observado na definição de um SIG, é a forma como o mesmo interage com o usuário. Esta observação deve considerar o grau de acessibilidade, facilidade de operação, transparência no fluxo lógico e forma clara e sintética de obtenção do resultado pretendido.

4.2 - Opções de Sistemas de Informações Geográficas Atualmente há uma grande diversidade de SIGs disponíveis. A maioria tem os módulos necessários para todas as análises espaciais. Entre os principais aplicativos SIG disponíveis atualmente, os mais usados em nosso país são:

Spring Software desenvolvido pelo INPE, com funções de processamento de imagens, análise espacial, modelagem numérica de terreno e consulta a bancos de dados espaciais, trabalha com banco de dados relacional ou orientado a objetos. A Figura 2 mostra uma tela do SPRING.

Figura 2 - Tela do SPRING.

ArcGIS Software desenvolvido pela ESRI (Enviromental Systems Researchs Institute) que permite amplas opções no desenvolvimento de atividades espaciais, tanto utilizando arquivos raster como vetores. Apresenta ótima performance no trabalho


com arquivos vetoriais. Trabalha com banco de dados relacional. A Figura 3 apresenta uma tela do ArcMap, componente do ArcGIS.

Figura 3 – Tela do ArcMap, componente do ArcGIS.

Idrisi Software desenvolvido pela Clark University , possui amplas aplicações em geoprocessamento, com ótima performance no tratamento de informações raster. A Figura 4 apresenta um exemplo de uma tela do Idrisi Taiga.

Figura 4 – Tela do Idrisi Taiga.


ER Mapper Este software oferece ferramentas avançadas para processamento de imagens, permitindo seu uso em diversas áreas do geoprocessamento. A Figura 5 apresenta uma tela do ER Mapper.

Figura 5 – Tela do ER Mapper.

ENVI É um software que oferece inúmeras possibilidades de aplicação em geoprocessamento. Destaca-se pelo ótimo desempenho no processamento de imagens e na elaboração de modelos numéricos do terreno (MNTs). A Figura 6 mostra uma tela do ENVI.


Figura 6 – Tela representativa do ENVI.

ILWIS O software ILWIS (Integrated Land and Water Information System) também realiza o tratamento computacional de dados geográficos. É distribuído gratuitamente, tendo sido bastante usado em projetos desenvolvidos ao redor do mundo. A Figura 7 apresenta uma tela do ILWIS.

Figura 7 – Tela do ILWIS.


4.3 - Operações sobre dados em SIG Estas são realizadas por operadores, que são conjuntos de programas ou módulos que atuam sobre a base de dados para atender aos requerimentos dos usuários, no que diz respeito à análise da informação espacial.

4.4 - Tipos de operações realizadas sobre os dados As operações mais comuns são as de medidas de distância, de áreas, zonas de influência, operações aritméticas em mapas, funções trigonométricas, operações booleanas, conversões raster-vetor-raster, processamento de imagens, transformação de coordenadas, traçado de redes, tratamento de dados altimétricos (declives, vertentes, curvas de nível, MDT), operações com polígonos, linhas e pontos, criação, consulta e gerenciamento de banco de dados, entre diversas outras.

4.4.1 – Aplicações dos SIGs Um SIG deve fornecer informações relativas à: -

Localização espacial de dados;

-

Relacionamento entre localizações espaciais de dados;

-

Quantificação de eventos associados a uma localização espacial;

-

Associação de atributos à informação espacial;

-

Cálculos de áreas e distâncias;

-

Cruzamento de dados espaciais;

-

Determinação de trajetos de menor custo, resistência ou distância;

-

Identificação de informações posicionadas espacialmente;

-

Estabelecimento de zonas de interesse;

-

Reclassificação de objetos com combinações de atributos de interesse;

-

Simulação de mudanças entre diferentes períodos em determinadas condições;

-

Processamentos de imagens digitais;

-

Modelagens numéricas de informações;

-

Análises estatísticas;

-

Consultas a bancos de dados.


4.4.2 – Áreas de Aplicações dos SIGs Os SIGs podem ser usados em todas as áreas que possam ter suas informações mapeadas, sejam elas relativas ao espaço físico ou as relações sociais, econômicas e humanas. As principais são: -

Análises geográficas;

-

Processamento digital de imagens;

-

Modelagem numérica do terreno;

-

Geodésia e fotogrametria;

-

Agricultura de precisão;

-

Produção cartográfica;

-

Modelagem de redes;

-

Mapas cadastrais;

-

Mapas ambientais;

-

Planejamento – urbano, rural, ambiental...;

-

Planejamento de negócios.

4.4.3 – Exemplos de Aplicações dos SIGs -

Determinação de áreas economicamente mais propícias a um a cultura agrícola;

-

Determinação de áreas com risco à erosão;

-

Geração de mapas de acidentes de trânsito ocorridos em determinados períodos, em determinada região;

-

Delimitação de áreas de proteção e preservação;

-

Previsão de safras agrícolas;

-

Estudo de capacidade de uso das terras;

-

Planejamento do escoamento da produção;

-

Cadastros de espécies vegetais e animais;

-

Escolha da melhor área para implantação de escolas, hospitais, creches, comércios, indústrias, represas...;

-

Zoneamentos ambientais, econômicos, sociais...

-

Monitoramento ambiental;

-

Modelagens de expansão de atividades ou ocupações.


4.4.4 – Exemplos de produtos gerados a partir do uso de SIGs

Mapa clinográfico

Figura 8 – Mapa clinográfico.

O mapa clinográfico anterior foi elaborado a partir da vetorização das curvas de nível da área do município de Botucatu, SP. Estas foram interpoladas pelo método TIN (Triangular Irregular Network ). Após a geração do mapa com as classes de declive, aplicou-se o processo de reclassificação para a delimitação dos intervalos de interesse. Para finalizar, aplicou-se um filtro com a finalidade de melhorar a apresentação e facilitar sua interpretação.


Mapa de solos

Figura 9 – Mapa de solos do município de Botucatu.

Este mapa foi elaborado a partir da fotointerpretação dos tipos de solos ocorrentes no município de Botucatu. Posteriormente este resultado foi confirmado com análises de solos feitas em laboratório, a partir de amostras coletadas a campo. Na sequência, o resultado foi mapeado e representado no mapa acima.

Mapa de capacidade de uso das terras

Figura 10 – Mapa de capacidade de uso das terras do município de Botucatu. 24 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

Este mapa foi produzido a partir do mapa de declives e do mapa de solos do município. As informações constantes dos dois mapas foram avaliadas, atribuindo-se pesos para cada uma sendo posteriormente mapeadas para chegar-se ao produto acima.

Mapa de aplicação localizada O mapa a seguir apresenta a distribuição dos pontos de coleta de solos em uma área de produção agrícola.

Figura 11 – Mapa com a distribuição dos pontos de coleta de amostras de solos. Elaboração: Rodrigues, 2002. Os pontos acima foram interpolados, gerando um mapa com a distribuição das características do solo. Um dos resultados, o mapa de pH pode ser visto na Figura 12.


Figura 12 – Mapa dos valores de pH. Elaboração: Rodrigues, 2002. A partir da interpolação dos valores de pH do mapa acima, o pesquisador efetuou a reclassificação, fatiando as informações em intervalos, facilitando a interpretação do mapa e a posterior aplicação do corretivo por parte do proprietário da área. O resultado deste fatiamento pode ser visto na Figura 13 abaixo.

Figura 13 – Mapa com a classificação do pH da área de estudo. Elaboração: Rodrigues, 2002. 26 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

Consulta a banco de dados O mapa apresentado abaixo é resultado de consulta ao banco de dados que contém informações sobre os municípios brasileiros disponibilizado pelo IBGE em seu site. Estas informações foram baixadas em formato .shp e convertidas para o formato lido pelo SIG. A Figura 14 mostra o resultado desta consulta.

Figura 14 – Resultado de consulta ao banco de dados.

4.5 – Diferença entre sistemas CAD, CAM , AM/FM e SIG

4.5.1 – Sistemas CAD Computer Aided Design ou desenho apoiado em computador. São sistemas originalmente criados para a elaboração de projetos nas áreas de engenharia. Posteriormente passaram a ser utilizados na cartografia digital. Estes sistemas acessam e armazenam informações de modo seqüencial, como entidades gráficas. Apresentam limitações quanto à algumas atividades do geoprocessamento, como na atribuição de coordenadas em processos de georreferência, pois normalmente não consideram sistemas de projeção, nem equações de ajustes, o que compromete a qualidade desta operação, sobretudo para áreas maiores. Mesmo assim, os CADs são amplamente 27 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

utilizados, uma vez que apresentam boa funcionalidade, ótima precisão de localização das informações, avançados recursos de representação gráfica e capacidade de edição e impressão. A diferença fundamental dos CADs para os SIGs é que o CAD não permite a realização de análises espaciais.

4.5.2 – Sistemas CAM Computer Aided Mapping ou mapeamento apoiado em computador. Estes sistemas são utilizados para elaboração de mapas utilizando camadas (layers) de entidades gráficas. São considerados um aperfeiçoamento dos CAD, mas ainda não apresentam todas as características de um SIG.

4.5.3 – Sistemas AM/FM Automated Mapping/Facility

Management

ou

mapeamento

automatizado/Gerenciamento de Equipamentos. São sistemas baseados nos CAD, porém, menos precisos. Tem maior potencial para armazenamento e análise de dados para a produção de relatórios, uma vez que utilizam redes para definição das relações entre os componentes dos sistemas, e que estas permitem a associação de atributos alfanuméricos às entidades gráficas.

5. BASE DE DADOS As fontes de dados em geoprocessamento caracterizam-se por sua grande diversidade, podendo ser estas divididas da seguinte forma: -

Fontes primárias – aquelas que permitem o levantamento de dados originais, como os trabalhos de campo e os produtos do sensoriamento remoto;

-

Fontes secundárias – aquelas que fornecem mapas e estatísticas já prontos, normalmente estas derivam das fontes primárias. Em projetos de geoprocessamento a fonte dos dados deve ser definida em

função de alguns aspectos: -

Abrangência espacial;

-

Detalhamento;

-

Custo; 28 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

-

Possibilidade de padronização

-

Confiabilidade. Os levantamentos de dados a campo normalmente oferecem grande

detalhamento e segurança nas informações coletadas, desde que estes sejam feitos seguindo os procedimentos adequados. Porém, exigem deslocamentos e o uso de equipamentos apropriados em função do fenômeno pesquisado e do tipo de informação necessária. Como exemplos de informações normalmente levantadas em trabalhos de campo, podemos citar: -

Coletas de amostras (solo, água, vegetação...);

-

Coletas de coordenadas para pontos de controle;

-

Medidas (distâncias, áreas, perímetros, ângulos...);

-

Realização de entrevistas (sociais, econômicas...);

-

Confirmação de padrões previamente identificados em fotos aéreas, imagens de satélites ou entrevistas. Um dos principais aspectos a serem considerados na formação da base de

dados é a compatibilização entre os planos de informação, pois estes devem permitir complementações e comparações.

5.1 – Estruturas de representação de dados espaciais Estas estruturas podem ser: - Geométricas – quando descrevem atributos de um elemento relativos à posição, vizinhança e conexão com outros elementos; - Não geométricas – descrevem atributos com características não geométricas entre os elementos, como nome, população, e atividade econômica.

-

As estruturas geométricas são divididas em:

5.1.1 – Raster Esta estrutura é também chamada de matricial, pois a delimitação do espaço representado é obtida através de uma malha com linhas verticais e horizontais espaçadas regularmente formando células ou pixels (do inglês picture element , ou seja, elemento da imagem). Estas células possuem dimensões verticais e horizontais iguais, definindo sua resolução (área abrangida no terreno por cada célula). Este fato leva à 29 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

generalização da representação, onde vários elementos que constituem um pixel deixam de ser individualizados. Cada um destes elementos apresenta um valor z que pode indicar um atributo, normalmente, o seu nível de cinza (valor de brilho). Esta é a estrutura comum das imagens (de satélite, fotografias aéreas digitais e mapas digitalizados). As Figuras abaixo apresentam exemplos de estruturas raster.

Figura 15 – Exemplo de estrutura raster e sua representação. Fonte: Jensen, 2009, p. 197.


Figura 16 – Exemplo de matriz numérica de imagem raster. Fonte: Crosta, 1992, p. 24.

As principais vantagens das estruturas raster são sua fácil interpretação, simplicidade de representação e de processamento. Também permitem operações de superposição e operações de modelagem e simulação. Além disso, representam muito bem variabilidades espaciais. Suas principais desvantagens consistem no fato de que sua precisão depende da resolução, tem dificuldade de representação de pequenas áreas e padrões lineares (rios, estradas, linhas de transmissão, entre outras), ocupam grandes volumes de memória e, além disso, na maioria das vezes a qualidade visual dos mapas finais é inferior àquela dos mapas vetoriais.

5.1.2 – Vetoriais Estas estruturas são baseadas nos elementos geométricos básicos (pontos, linhas e polígonos) que estão situados em sistemas de coordenadas bi ou tridimensionais.


Os pontos são as entidades geográficas que podem ser representadas por um único par de coordenadas. Como exemplo, podemos ter a localização de uma casa, de um poste, ou dependendo da escala, de uma cidade. As linhas – são conjuntos de pelo menos dois pares de coordenadas representadas por seus pontos. Uma linha além das coordenadas deve possuir pelo menos um atributo. Por exemplo: um rio e seu nome. As linhas também podem fazer a representação das redes. Estas são linhas que trazem informação de como ocorrem as ligações entre elas, através dos nós. Já os nós devem trazer as informações das cadeias de linhas e sobre os ângulos de confluência de cada uma de suas linhas componentes. Os polígonos são conjuntos de pontos em que sua última coordenada deve coincidir com a primeira, fechando desta forma o polígono. Através de sua representação fornecem informações de localização de áreas e perímetros. As informações das relações entre os pontos, as linhas e os polígonos fornecem a topologia das figuras geométricas, conforme pode ser visto na Figura 17.

Figura 17 - Topologias comuns em geoprocessamento. Fonte: Câmara & Monteiro, INPE – on line. 5.2 – Fontes de dados para geoprocessamento Os dados usados nas análises do geoprocessamento podem ser obtidos em bases oficiais ou então levantados pelo próprio interessado. É importante frisar que


normalmente as bases de dados disponibilizadas estão representadas em escalas menores, mas mesmo assim podem fornecer informações importantes. As principais fontes são: IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística); INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais); DSG (Diretoria de Serviço Geográfico do Exército); CPRM (Companhia de Pesquisa e Recursos Minerais); EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária); IBAMA (Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e Recursos Naturais Renováveis); Universidades, órgãos públicos estaduais e prefeituras municipais. Além destes, órgãos internacionais como a NASA (National Aeronautic and Space Administration) e o GLCF (Global Land Cover Facility) também disponibilizam dados de qualidade gratuitamente.

6. OPERAÇÕES BÁSICAS DO GEOPROCESSAMENTO

6.1 – Georreferenciamento de imagens Compreende a transformação geométrica que relaciona coordenadas de imagem (linha, coluna) com coordenadas de um sistema de referência. É um procedimento executado para registrar espacialmente uma imagem à sua posição conhecida do terreno em coordenadas de referência universalmente reconhecidas, como geográficas ou Universal Transversa de Mercator (UTM), ou mesmo outras menos utilizadas no Brasil. A relação entre os dois sistemas de coordenadas (mapa e imagem) pode ser calculada de duas formas: 1 – Através do conhecimento exato dos parâmetros geométricos da órbita do satélite, da rotação da terra e do fator de amostragem do sensor, chamada de modelo de geometria orbital. O grau de precisão desta técnica é baixo. 2 – Através da definição de pontos de controle, o que permite o cálculo da relação entre os dois sistemas de coordenadas. Estes pontos devem ser reconhecíveis tanto na imagem a ser georreferenciada quanto no mapa ou carta que contém o sistema de 33 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

coordenadas a ser usado. A precisão deste método depende da precisão na identificação e posicionamento dos pontos de controle. Caso os pontos de controle não sejam identificáveis nas cartas e mapas disponíveis, podemos coletá-los a campo com auxílio de um aparelho GPS. Os pontos de controle mais comuns são: -

Intersecções de estradas (encruzilhadas);

-

Cruzamentos de estradas com ferrovias;

-

Cruzamento de estradas com rios (pontes)

-

Aeroportos;

-

Cantos de cercas e esquinas (para escalas maiores), entre outros. Quando se tratar de georreferência de cartas topográficas ou mapas, podemos

usar suas malhas de coordenadas. Um detalhe importante a ser observado é que ao definirmos os pontos de controle e obtermos suas coordenadas na imagem, devemos observar com “zoom”

aumentado, buscando o máximo de precisão na informação. Ao obtermos os pontos de controle no campo com GPS devemos observar a precisão deste, comparada com a resolução da imagem a ser georreferenciada, e o datum em que o mesmo está obtendo as coordenadas. O SIG utilizado para a elaboração da georreferência deve oferecer a opção de comparar os erros relativos a cada ponto de controle antes de efetuar a transformação. Deve-se trabalhar com um mínimo de 6 pontos de controle, para equações lineares, prevendo a possibilidade de exclusão daqueles de menor contribuição na equação de ajuste. Para equações quadráticas ou cúbicas, o número de pontos deve ser ainda maior. Este aspecto depende do SIG em que esta tarefa estiver sendo executada. É importante que mesmo obtendo-se dados georreferenciados por outras fontes, seja feita uma avaliação da qualidade desta georreferência, e sempre que possível, efetuar nova georreferência, visando: 1 – O monitoramento e a redução de erros de posição inevitavelmente introduzidos durante qualquer processo de reamostragem. 2 – Ajustar as distorções que alguns sistemas de referência, e as projeções a eles associadas, introduzem para uma mesma área. 34 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

Conforme Crosta (1992) o processo de georreferência resulta na produção de uma nova imagem, com nova localização espacial e com DNs (números digitais) que devem acompanhar esta localização. Este processo é feito por interpolação, que pode ser feita pelos métodos: 1 – Vizinho mais próximo – considera como novo valor do píxel o DN de maior abrangência dentro da nova imagem. 2 – Interpolação bilinear – toma por base os DNs dos 4 vizinhos mais próximos do centro do novo píxel, calculando uma média ponderada pelas distâncias do centro dos 4 vizinhos ao centro do novo píxel. 3 – Convolução cúbica – baseia-se no ajuste de uma superfície polinomial de terceiro grau, à região circundando o pixel a ser reamostrado. Os 16 pixels vizinhos são utilizados para determinar o valor do novo pixel.

6.1.1 – Importância da georreferência de imagens - Possibilidade de obtenção de medidas verdadeiras, como distâncias, áreas, ângulos, altitudes, etc; - Localização de pontos na superfície terrestre a partir da identificação de suas coordenadas na imagem ou vice-versa; - Integração de imagens à base de dados existente num SIG; - Troca de informações padronizadas com outros usuários; - Combinação de imagens de sensores diferentes sobre uma mesma área ou execução de estudos e análises multi-temporais.

Exemplo: Para georreferência da foto aérea da Figura 18, utilizou-se as coordenadas UTM extraídas da carta topográfica da região (ambas de Ourinhos). Nesta Figura estão demonstrados os 5 pontos de controle extraídos da tela do computador.


Figura 18 – Pontos de controle destacados sobre o aerofotograma.

Na Figura 19 estão destacados os pontos de controle sobre a carta topográfica, de onde serão identificadas as coordenadas no sistema UTM.


Figura 19 – Pontos de controle destacados sobre a carta topográfica.

Na Figura 20 o ponto de controle está aproximado e já teve suas coordenadas identificadas. A partir deste momento, o mesmo pode ser usado no procedimento de georreferência da imagem.

Figura 20 – Ponto de controle identificado sobre a fotografia aérea e a carta topográfica. 37 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

6.2 – Classificação de imagens de Sensoriamento Remoto A classificação de imagens multi-espectrais é feita à partir da associação de pixels da imagem a um conjunto de rótulos que descrevem a característica real predominante de cada pixel (vegetação, água, solo, etc). Tem como finalidade organizar as informações existentes em uma imagem ao conjunto de rótulos, facilitando sua interpretação através de uma legenda. Caracteriza-se pela amostragem de um conjunto de pixels relativos a um determinado uso, e pela associação destes DNs (Números Digitais) a todos os pixels que possuem reflectância (DNs) parecida. Utiliza-se neste processo pelo menos duas bandas de imagens de satélite. A classificação de imagens multi-espectrais pode ser dividida em:

6.2.1 – Classificação supervisionada É elaborada a partir da intervenção do profissional, usando sua capacidade interpretativa. Na classificação supervisionada, coberturas do solo são identificadas e diferenciadas umas das outras pelo seu padrão de resposta espectral. Nesta classificação define-se as assinaturas espectrais das categorias de uso conhecidas, e o aplicativo associa cada píxel da imagem à assinatura mais similar. Para que o software efetue este procedimento, necessita-se da definição de áreas de treinamento contendo os padrões que se deseja classificar. As áreas de treinamento são delimitadas por polígonos desenhados sobre cada uso do solo na imagem. Estes polígonos devem ter o mesmo identificador para cada classe de uso. As imagens são classificadas utilizando-se de classificadores, que podem usar os métodos:

Paralelepípedo Neste método é considerada na análise uma área quadrada ao redor do conjunto de treinamento. Esta deve ser representativa de uma classe de uso da terra, onde o DN mínimo e máximo dos pixels definirá sua classificação em uma ou outra classe.


Distância mínima Este método emprega a estatística para ser executado. A partir da delimitação dos polígonos, o software calcula o valor médio dos pixels de cada classe e no processo de classificação os utiliza para analisar a distância dos demais pixels em relação a cada média das classes. Após, associa os pixels àquelas classes em que seu DN estiver mais próximo.

Máxima verossimilhança Nele, os valores de reflectância de uma área de treinamento são descritos por uma função de densidade de probabilidade, baseada na estatística Bayesiana. Este classificador verifica a probabilidade que um píxel tem de pertencer a uma determinada classe e o classifica na categoria que tiver maior probabilidade. A Figura 21 a seguir apresenta o resultado de uma classificação supervisionada pelo método de verossimilhança.

Figura 21 – Mapa de uso da terra do município de Botucatu.

Este mapa foi elaborado a partir da classificação supervisionada de imagem do satélite Landsat 7, sensor ETM.


6.2.2 – Classificação não supervisionada Neste método as imagens são classificadas de acordo com a semelhança espectral das diferentes tonalidades nelas existentes. Normalmente o software procura “nuvens” de pixels com DNs parecidos e os classifica em uma categoria. Pode

haver a intervenção do intérprete na delimitação do número de classes a serem extraídas.

6.2.3 – Classificação por análise visual Neste método o intérprete identifica cada uso e os demarca sobre a imagem digital com polígonos. É demorado e depende da habilidade do mesmo.

6.3 – Modelo numérico do terreno (MNT) Também denominado de modelo digital do terreno (MDT) ou modelo de elevação do terreno (MET). É a representação matemática da distribuição espacial de uma determinada característica vinculada a uma superfície real. Normalmente a superfície é contínua e representada por um fenômeno variado. Seus principais usos são: -

a) Elaboração de mapas de declividade e exposição para análises de geomorfologia e erodibilidade;

-

b) Análises de corte-aterro para projetos de estradas e barragens;

-

c) Geração de mapas topográficos;

-

d) Apresentação tridimensional de informações (em combinação com outras variáveis). A representação dos dados do modelo numérico do terrenoé feita através das

coordenadas x,y,z, onde z caracteriza o parâmetro a ser modelado, sendo z=f(x,y). A aquisição destes dados é geralmente efetivada através de levantamentos de campo, digitalização de mapas, medidas fotogramétricas a partir de modelos estereoscópicos e dados altimétricos adquiridos por GPS, aviões e satélites. Podemos adquirir os dados através de pontos amostrados com espaçamento irregular e regular bem como por mapas de isolinhas. A Figura 22 a seguir apresenta um exemplo de MNT.


Figura 22 – MNT da microbacia hidrográfica do Arroio do Meio, na região central do Rio Grande do Sul.

6.4 – Fusão de imagens multiespectrais e pancromáticas A fusão de imagens de satélites pode ser empregada para melhorar a resolução (espacial e espectral) das imagens, facilitando a identificação de alvos. Essa técnica de processamento pode ser empregada para melhorar a classificação de imagens, uma vez que a heterogeneidade espectral de áreas em sensoriamento remoto pode conduzir a erros em sua classificação. Normalmente uma fusão é feita utilizando-se uma imagem pancromática de alta resolução espacial, e bandas de imagem multiespectral com menor resolução espacial. Deste modo, a resolução espectral pode ser preservada, enquanto a melhor resolução espacial é incorporada com o intuito de captar o conteúdo de informação das imagens com maior detalhamento. Nesta tarefa utiliza-se normalmente o método HLS que é a sigla para: hue, lightness e saturation, que significam, respectivamente, matiz, brilho e saturação (este método também é chamado de IHS). Este é um espaço de cor mais uniforme que o espaço RGB e que separa a cromaticidade da luminância. A transformação RGB-HLS separa a informação acromática (valor) e cromática (matiz e saturação) de uma imagem RGB. Neste método, três bandas espectrais de menor resolução espacial são transformadas do espaço RGB de cores para o espaço HLS. A componente L é substituída pela imagem PAN, sendo na seqüência efetuada a operação inversa, 41 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

retornando para o espaço RGB. A Figura 23 a seguir apresenta o resultado da fusão das bandas multiespectrais AVNIR (resolução espacial de 10 metros) com a banda pancromática PRISM (resolução espacial de 2,5 metros) do satélite japonês ALOS, da região de Ourinhos, SP.

Figura 23 – Fusão de bandas multiespectrais com pancromática do satélite ALOS. 6.5 – Operações aritméticas com mapas Estas são operações matemáticas realizadas entre duas ou mais imagens, com o objetivo de destacar informações de interesse ou comprimi-las. As operações aritméticas mais comumente usadas são a adição, subtração, multiplicação e divisão. Nestas operações os pixels componentes da imagem sofrem as operações um a um, tendo seus DNs substituídos pelo seu novo valor, resultado da operação aplicada. Abaixo é apresentado um exemplo simples de operação de multiplicação, com os valores dos DNs dos pixels substituídos pelo resultado da multiplicação efetuada. 3 2 4 7 1 5 9 2 6

8 4 3 X

9 1 3 2 5 7

24 8 12 =

63 1 15 18 10 42 42

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Em seguida, na Figura 24 é apresentada a operação de multiplicação entre o mapa da classe de capacidade de uso da terra IIIs e o mapa de uso da terra do município de Botucatu, SP.

X

=

Figura 24 – Mapa de uso da terra na classe de capacidade IIIs.

O mapa da Figura 24 acima foi obtido a partir do cruzamento do mapa de uso da terra com o mapa da classe de capacidade de uso da terra IIIs, a partir de uma operação de multiplicação. O resultado apresenta o uso da terra do município apenas na classe de capacidade IIIs. Além destas operações, o geoprocessamento permite o desenvolvimento de atividades de:


- Reclassificação de imagens; - Elaboração de histogramas que apresentam a distribuição das freqüências dos pixels das imagens; - Aplicação de contrastes nas imagens; - Operações de criação, manutenção e consulta ao banco de dados; - Criação de buffers e a realização de análises relativas à distâncias de determinadas entidades, como estabelecimento de zonas de interesse e o estudo de caminhos de menor custo; - Análises de superfícies, tais como criação de mapas de declividades, operações de filtragens, agrupamentos, geração de microbacias e localização de pontos de interesse; - Análises estatísticas relacionadas à localização espacial das informações; - Suporte à decisão. Estas permitem que sejam realizadas análises que geram mapas de apoio à tomada de decisões baseados na localização espacial das informações; - Trabalho com séries de dados e análise das mudanças ocorridas em uma dada região em um período de tempo; - Interpolação, geoestatística, variáveis topográficas e extração de feições; - Operações de modelamento de dados, de classificação de imagens e de simulações; - Simulação e avaliação de tendências e mudanças no uso do solo, além de módulos para análises de equações de perda de solo; - Aplicação de transformações por componentes principais, análises de Fourier, análises de textura, análises termais e de índices de vegetação; - Análises de imagens hiperespectrais; - Mudança de formato de dados e modificações na estrutura de imagens e vetores, assim como transformações de linha para ponto ou polígono e vice-versa; - Mudança de sistemas de projeção e de coordenadas e ainda mudanças de datuns em imagens georreferenciadas; - Edição de textos e de outros formatos, muito usados para ajustes nos arquivos de documentação das imagens e vetores, ou para criação destes arquivos. Permite alterações nos dados armazenados; 44 Introdução ao Geoprocessamento – Prof. Dr. Edson Luís Piroli Universidade Estadual Paulista – Campus de Ourinhos – Curso de Geografia – CEDIAP-GEO

- Interpolação de superfícies, possibilitando a realização de interpolações por contorno, rede irregular de triângulos e krigagem.

REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

ASSAD, E.D., SANO, E.E. Sistema de informações geográficas aplicações na agricultura. 2 ed. Brasília: Embrapa, 1998. BECKER, E. L. S., PIROLI, E. L., TREVISAN, M. L., CASSOL, R. Algumas considerações com referência às formas de representação da terra através de coordenadas UTM. Ciência e Natura, Santa Maria, v. 20, p. 215-229, 1998. BURROUGH, P.A; McDONNELL, R.A.. Principles of geographical information systems. Oxford: University Press, 2004. BUZAI, G.D.; DURÁN, D. Enseñar e investigar com sistemas de información geográfica (S.I.G.) Buenos Aires: Traquel, 1997. 192p. CALIJURI, M.L., RÖHM, S.A. Sistemas de Informações Geográficas. CCET/DEC Universidade Federal de Viçosa. Imprensa Universitária: Viçosa, 1994. 34p. CÂMARA, C, & DAVIS, C. (1996). Fundamentos de Geoprocessamento. Livro on-line: www. http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro. CÂMARA, G. & MEDEIROS, J. S. (1998). GIS para Meio Ambiente. São José dos Campos: INPE. CÂMARA, G. MEDEIROS, J.S.de. Princípios básicos em geoprocessamento. In: ASSAD, E.D., SANO, E.E. Sistema de informações geográficas aplicações na agricultura. 2 ed. Brasília: Embrapa, 1998. p. 3 – 11. CROSTA, A.P. Processamento digital de imagens de sensoriamento remoto . Campinas: IG/UNICAMP. 1992. 170p. EASTMAN, J. R. Idrisi for Windows - Manual do usuário: introdução e exercícios tutoriais. Editores da versão em português, Heinrich Hasenack e Eliseu Weber. Porto Alegre, UFRGS Centro de Recursos Idrisi, 1998. 240 p. EASTMAN, J. R. IDRISI32. Guide to GIS and image processing. Massachusettes, Clark University. V. 2, 1999. 169p. FITZ, P.R. Geoprocessamento sem complicação. São Paulo: Oficina de Textos, 2008. INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA. Geodésia. Disponível em: http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia. Acesso em 06/10/2010.


Livro Introducao Ao Geoprocessamento

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