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Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas
APOSTILA DE SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS
PROF. D R. NILSON C LEMENTINO FERREIRA
Apostila Elaborada para a Disciplina Sistema de Informações Geográficas da Coordenação da Área de Geomática do Centro Federal de Educação Tecnológica do Estado de Goiás para Aulas do Curso Superior de Tecnologia em Geoprocessamento. Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira.
GOIÂNIA
II
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SUMÁRIO
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- Sistema de Satélite de Navegação Global (GNSS) o um sistema de satélites orbitando a Terra e transmitindo sinais precisos para o posicionamento geográfico; Este sistema de satélites é composto por um conjunto de satélites Norte-Americanos (GPS), Russos (GLONASS) e da Comunidade Européia (Galileo). o os sinais transmitidos pelos satélites são recebidos, na superfície terrestre, por dispositivos eletrônicos especiais (receptores GNSS). o os receptores oferecem a medida direta de posição na superfície da Terra; o a localização é expressa em latitude/longitude ou ainda outro em outro sistema de coordenadas
- Sensoriamento Remoto o utiliza sensores a bordo de satélites e aeronaves para capturar informações sobre a superfície e atmosfera terrestre; o os sensores variam de acordo com a capacidade de detalhamento da observação espacial, espectral, temporal e radiométrica; o os sinais capturados pelos sensores são transmitidos para a Terra, recebidos em estações onde eles são transformados em imagens digitais. Muitas outras tecnologias, ciências e técnicas são utilizadas na aquisição e manipulação de informações geográficas, entre elas, estão a cartografia, a geodésia, a topografia, a fotogrametria e os sistemas de informações geográficas (SIG), que são: o um sistema para entrada, manipulação e exibição de informações geográficas; o uma categoria de programa computacional; o uma instância prática de um SIG combina programa computacional com equipamentos, dados, usuários e procedimentos, para resolver um problema, auxiliar decisões e planejamentos. O SIG é um tipo especial de sistema de informações. Os sistemas de informações são utilizados para manipular, sintetizar, pesquisar, editar e visualizar informações, geralmente armazenadas em bases de dados computacionais. Uma aplicação comum dos sistemas de informações está relacionada com o gerenciamento de passageiros por empresas aéreas, para realizar reservas, venda de passagens e check-in de passageiros. O SIG utiliza informações especiais sobre o que está/ou ocorre na superfície da Terra.
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Existem muitos tipos de informações utilizadas em computadores:
- números – os computadores são utilizados para realizar operações com números tais como adição, multiplicação, divisão, etc.
- textos – os computadores são utilizados para processar palavras. É possível criar, editar, enviar e receber textos.
- figuras – os computadores poder ser utilizados para processar imagens.
- listas, tabelas – os computadores podem ser utilizados no processamento de planilhas.
- sons – os computadores dispõem de dispositivos periféricos e processadores capazes de capturar, processar e emitir sons.
- mapas e imagens da superfície terrestre – em programas computacionais para SIG. O armazenamento, a recuperação, a pesquisa, a manipulação, o envio, a recepção, a cópia e a exibição de informações podem ser realizados manualmente, porém desta forma essas atividades podem ser muito lentas, tediosas, de difícil padronização e com maior probabilidade de ocorrência de erros. Além disso, mapas em papel são difíceis de manejar, armazenar, enviar, receber e copiar. Desta forma, a utilização de computadores, dotados de programas computacionais de SIG, torna essas operações mais fáceis e produtivas. Atualmente, todos os tipos de informações podem ser manipulados por computadores, dotados de programas computacionais específicos. Existem dois significados distintos para SIG, um deles se refere a uma aplicação real de SIG, incluindo equipamentos, dados, programas computacionais, recursos humanos e métodos necessários para resolver um problema (uma aplicação de SIG), conforme se pode observar na figura 1. Um outro significado de SIG se refere a um tipo de programa computacional vendido ou então disponibilizado por um desenvolvedor de programas computacionais.
Figura 1 – Uma aplicação de SIG
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O Núcleo de Geomática se ocupa em dominar os novos conceitos científicos e tecnológicos que surgem a cada dia, realizar análises complexas, além de pesquisas avançadas em SIG. Todas as especificações de compra de equipamentos, programas computacionais e serviços relacionados com SIG, devem ser realizados pelo Núcleo de Geomática. Este grupo de usuários atua como o provedor de dados, suporte técnico, capacitação, novas metodologias e/ou aplicativos para toda a instituição onde o SIG está implantado.
Figura 2 – Categorias de recursos humanos envolvidos em um SIG
Os Analistas Temáticos têm o interesse principal na gestão de um determinado tema. Por exemplo, pode ser um arquiteto interessado no planejamento urbano de um município ou então um biólogo interessado na gestão de algum ecossistema. O foco principal destes profissionais, portanto não é o SIG, que, todavia é uma ferramenta imprescindível na gestão do tema. Os Analistas Temáticos devem ter bons conhecimentos de SIG, devem receber suporte do Núcleo de Geomática, utilizam base de dados de pequeno ou médio porte que acessam diretamente no núcleo de geomática, utilizam computadores pessoais de médio porte e também aplicativos fáceis de utilizar. Os Analistas Temáticos são necessários na elaboração de metodologias de análises espaciais específicas, fornecendo informações conceituais, testando e aprovando novas metodologias. Os produtos gerados pelos analistas temáticos são informações geográficas que
Núcleo Geomatica Analistas Temáticos
Usuários Gerais
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podem estar na forma de mapas, relatórios, tabelas e estatísticas armazenadas em meio analógico e digital. Os Usuários Gerais são pessoas que necessitam utilizar informações espaciais, mas tem pouco ou nenhum conhecimento a respeito de SIG. Utilizam computadores simples, e necessitam de aplicativos simples, de uso intuitivo, com capacidade de multimídia ou que podem ser acessados via internet. Os mapas produzidos pelos Usuários Gerais geralmente integram relatórios e servem para ilustrar alguma realidade geográfica. Não é necessário capacitar os Usuários Gerais em Sistemas de Informações Geográficas, eles analisam as informações espaciais da mesma forma que analisariam um mapa em papel. Outro importante componente de um SIG é a base de dados geográficos, que é um tipo especial de dado, pois agrega além dos dados espaciais (pontos, linhas, polígonos e células (pixels)), os dados tabulares que tem como função descrever cada uma das entidades espaciais. Os dados espaciais são utilizados para representar graficamente elementos geográficos (drenagem, sistema viário, relevo, vegetação, limite político etc.), enquanto que os dados tabulares são relacionados aos dados gráficos e tem como função descrever mais detalhadamente os elementos geográficos. Desta forma, os dados geográficos são produzidos a partir da relação entre os dados espaciais e os dados tabulares, a função destes dados é representar graficamente, fisicamente, quantitativamente e qualitativamente os elementos existentes na superfície terrestre. Os programas computacionais de SIG possuem ferramentas para manipular os dados geográficos a fim de produzir informações geográficas. Esses programas possuem ferramentas para exibirem dados e informações geográficas, ferramentas para realizar edição, alteração e transformação de dados geográficos, ferramentas para medir distâncias e áreas, ferramentas para combinar mapas, entre outras. As funções básicas de um programa SIG são simples, mas podem se tornar sofisticadas para atender a demandas específicas tais como:
- manutenção de inventários;
- gerenciamento de infraestruturas;
- julgamento de susceptibilidade de áreas para diferentes propósitos;
- auxilio à usuários na tomada de decisões em processos de planejamento;
- realizar análises preditivas.
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bens e serviços mantêm suas frotas conectadas a receptores GNSS e desta forma, realizam o monitoramento e controle de cada um de seus veículos em tempo real. Na agropecuária, atualmente é possível utilizar mapas e imagens detalhadas, para planejar o plantio, a aplicação de insumos agropecuários e ainda planejar a colheita, além de analisar e realizar a previsão de safra. Atualmente, essa aplicação de SIG é denominada agricultura de precisão. No setor florestal, o SIG pode ser aplicado ao manejo de árvores, com vistas à extração sustentável de madeira. Todas as árvores produtoras de madeira são georreferenciadas, e sua volumetria sistematicamente monitorada. Quando o volume de madeira na floresta diminui a taxa de crescimento, essas árvores podem ser seletivamente retiradas e sua madeira encaminhada para a indústria. No entanto, a retirada de árvores da floresta também é um problema geográfico e necessita ser cuidadosamente planejado para não comprometer as árvores em crescimento. Após a retirada das árvores é realizado o replantio das mesmas espécies, nas mesma posições geográficas, mantendo assim a floresta saudável e produtiva. A floresta ainda pode ser utilizada em outras atividades humanas sustentáveis tais como turismo e extrativismo (apicultura, extração de resina, frutos, flores, etc.)
1.3 Sistemas, Ciência e Estudos O que significa fazer um SIG? Pode significar a utilização das ferramentas dos programas computacionais de Sistemas de Informações Geográficas para resolver um problema, como os anteriormente mencionados. Um projeto de SIG pode ter os seguintes estágios:
- Definição do problema;
- Aquisição de programas computacionais e equipamentos;
- Aquisição de bases de dados;
- Montagem e capacitação dos recursos humanos;
- Organização da base de dados;
- Realização de análises;
- Interpretação, apresentação e distribuição dos resultados. Muitas vezes, se faz necessário a construção e/ou adaptação das ferramentas dos programas computacionais de SIG.
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- Essas novas ferramentas são construídas para adaptar os programas computacionais de SIG à tarefas específicas da aplicação ou da instituição onde o mesmo está implantado;
- Podem também ser desenvolvidas para automatizar processos de entrada, organização, armazenamento, gerenciamento, análises, exibição e distribuição de dados e informações geográficas;
- Podem ser desenvolvidas ferramentas para realizar a integração dos programas computacionais de SIG à outros programas computacionais tais como processamento de imagens, CAD, programas de processamento de dados GNSS, programas de estatísticas, SCADA, modelagem tridimensional, Internet, etc.
- Podem ser incorporadas aos programas computacionais de SIG, outras funções de análises espaciais, por exemplo, funções aplicadas às ciências sociais e econômicas (veja www.csiss.org). Fazer um SIG pode significar também, o estudo das teorias e conceitos básicos de SIG e outras tecnologias da informação geográfica. Neste caso, está se lidando com a Ciência da Informação Geográfica.
1.4 A Ciência da Informação Geográfica A ciência da informação geográfica é a base científica utilizada no desenvolvimento e sustentabilidade das tecnologias dos Sistemas de Informações Geográficas. Esta ciência considera as questões fundamentais suscitadas pelo uso de sistemas e tecnologias. É a ciência necessária para manter a tecnologia no limiar do conhecimento. Devido a sua amplitude de conhecimentos, a ciência da informação geográfica tem caráter multidisciplinar, integrando muitas disciplinas tais como cartografia, geodésia, sensoriamento remoto, fotogrametria, entre outras disciplinas de aquisição e tratamento de dados espaciais. As questões científicas tratadas pela ciência da informação geográfica são muitas, dentre as mais importantes, se podem destacar:
- As questões da representação do mundo real o A complexidade infinita da superfície da Terra Como captura-la e representa-la em um sistema digital? Como e onde coletar amostras?
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- Questões sobre exibição de dados e informações geográficas o Como os métodos de exibição afetam a interpretação de dados e informações geográficas? o Como a ciência da cartografia pode ser estendida para obter vantagens das possibilidades do ambiente digital? o Quais propriedades básicas da exibição determinam seu sucesso?
- Questões sobre ferramentas de análises o Qual é natureza da intuição espacial humana, e como ela pode ser melhorada pelas ferramentas de SIG? o Quais os métodos de análises necessárias para apoiar tipos específicos de tomadas de decisões utilizando SIG? o Como os métodos de análises podem ser apresentados tal que os usuários possam escolher eficientemente entre eles? Existem muitas outras questões, os recentes livros e artigos podem sugerir muitas outras questões da ciência da informação geográfica.
1.5 As Disciplinas da Ciência da Informação Geográfica Devida a grande quantidade de aplicações dos Sistemas de Informações Geográficas, existe uma grande quantidade de disciplinas relacionadas com a Ciência da Informação Geográfica. Entre elas, destacam-se as disciplinas tradicionais, relacionadas com a aquisição e tratamento dos dados espaciais, tais como Cartografia, Sensoriamento Remoto, Geodésia, Topografia, Fotogrametria e Processamento de Imagens Digitais. Além dessas disciplinas se faz importante considerar a Ciência da Computação, particularmente as suas subáreas (banco de dados, geometria computacional, processamento de sinais e reconhecimento de padrões). A Ciência da Informação, especificamente as áreas que tratam da documentação de informações, qualidade da informação, indexação de informações, distribuição de informações, tratamento e conversão de informações, e distribuição de informação. É necessário também considerar as disciplinas que tem tradicionalmente estudado a Terra, particularmente sua superfície e as regiões próximas da superfície, em seus aspectos físicos e humanos. Dentre essas disciplinas se destacam a Geologia, Geofísica, Oceanografia, Agricultura, Biologia (particularmente Ecologia e Biogeografia), Ciências Ambientais, Geografia, Sociologia, Ciências Políticas, Antropologia, Arqueologia, Economia, Ciências Sociais, entre outras. É necessário destacar também as disciplinas que tem tradicionalmente
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estudado a natureza do entendimento humano, e suas interações com as máquinas, tais como Psicologia (particularmente a psicologia cognitiva, psicologia ambiental), Ciência Cognitiva e Inteligência Artificial.
2. História dos Sistemas de Informações Geográficas A solução mais antiga, e até hoje mais comum, de resolver problemas de análise de informações espaciais envolve a construção e a utilização de mapas. Embora toda a técnica de produção de mapas em papel esteja bastante dominada, uma vez que a Cartografia é uma ciência muito antiga, o processo de produção e utilização de mapas é muito oneroso, principalmente considerando-se os aspectos de levantamento de dados em campo, armazenamento e atualização. As primeiras tentativas de automatizar parte do processamento de dados com características espaciais aconteceram na Inglaterra e nos Estados Unidos, nos anos 50 do século XX, com o objetivo principal de reduzir os custos de produção e manutenção de mapas. Dada a precariedade da informática na época, e a especificidade das aplicações desenvolvidas (pesquisa em botânica, na Inglaterra, e estudos de volume de tráfego, nos Estados Unidos), estes sistemas ainda não puderam ser classificados como “sistemas de informação”. Os primeiros Sistemas de Informações Geográficas surgiram na década de 1960, no Canadá, como parte de um esforço governamental para criar um inventário de recursos naturais. Estes sistemas, no entanto, eram muito difíceis de usar: não existiam monitores gráficos de alta resolução, os computadores necessários eram excessivamente onerosos, e a mão de obra tinha que ser altamente especializada e, portanto também muito onerosa. Não existiam sistemas comerciais prontos para uso, e cada interessado precisava desenvolver seus próprios programas, o que demandava muito tempo e, naturalmente, muitos recursos financeiros. Além disto, a capacidade de armazenamento e a velocidade de processamento eram muito baixas. Ao longo dos anos 70 do século XX, foram desenvolvidos novos e mais acessíveis recursos computacionais, tornando viável o desenvolvimento de sistemas comerciais. Foi então que a expressão Sistema de Informações Geográficas foi criada. Foi também nesta época que começaram a surgir os primeiros sistemas comerciais de CAD (Computer Aided Design, ou Projeto Assistido por Computador), que melhoraram em muito as condições para a produção de desenhos e plantas para engenharia, e serviram de base para os primeiros
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Exercícios
- Explique a diferença entre dado e informação
- Em computação, os dados são expressos na forma binária 0 e 1, pergunta-se: a. Quantos bits são necessários para armazenar um pixel com valor 254, como fica o arranjo binário deste pixel? b. Como fica o arranjo binário da palavra TERRA? (Dica, obtenha o número ASCII de cada letra, depois converta o número para valores binários). c. O que é um bit, um byte, um kbyte, um megabyte, um gigabyte, um terabyte? d. Pesquise a quantidade de bits para armazenar um pixel de uma imagem ETM+ Landsat, CBERS/CCD, Quickbird, Ikonos e MODIS. e. Calcule a quantidade em megabytes, para armazenar uma imagem de 6000 linhas por 6000 colunas, contendo 7 bandas, e com pixels de 11 bits. E se a mesma imagem contiver pixels de 8 bits?
- Quais os dois significados distintos para SIG. Explique cada um deles e como eles estão relacionados.
- Cite alguns equipamentos utilizados na coleta, processamento e exibição de dados e informações geográficas.
- O recurso humano necessário para integrar um SIG é dividido em três grupos, quais são esses grupos, como eles se relacionam e em que grupo de usuários o Tecnólogo em Geoprocessamento deve atuar?
- Qual a diferença entre dados espaciais e dados geográficos?
- Como composto os dados geográficos e quais suas funções?
- Explique o que é customização de um programa SIG?
- O que é uma aplicação do tipo AM/FM? Onde é aplicada?
- Quais os estágios de um projeto de SIG?
- O que é a Ciência da Informação Geográfica?
- Consulte o site GIS Timeline e cite os eventos ocorridos entre 1980 e 1990.
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3. Dados Geográficos Para que seja possível produzir informações geográficas a partir de Sistemas de Informações Geográficas, é necessário “alimentar” os computadores e os programas computacionais de SIG com dados sobre o mundo real. Desta forma, é necessário produzir uma representação ou um modelo computacional do mundo real, que é extremamente complexo em seu detalhamento e em sua dinâmica temporal. Construir uma representação do mundo real implica em três grandes considerações: - Redução da complexidade geométrica do mundo real, através da aplicação de escala, amostragem e seleção de elementos. - Redução da complexidade temporal do mundo real, através de um corte temporal ou da observação de fenômenos em intervalos discretos de tempos. - Identificação e categorização dos elementos existentes na superfície terrestre, através de cortes temáticos. De início, é possível dividir a superfície terrestre em três grandes categorias, conforme suas características geométricas relacionadas ao mapeamento. A primeira categoria é constituída por elementos de natureza contínua, que se caracterizam pela dificuldade na localização das bordas (ou limites) entre classes. Dentre esses elementos estão os solos, o relevo, a vegetação, a geologia, a geomorfologia, a temperatura, a paisagem, a pluviometria, etc. As bordas que distinguem as classes de um tema de característica contínua, são obtidas através de uma coleta de amostras e em seguida, são realizadas interpolações e/ou classificações dessas amostras a fim de se restaurar a continuidade e/ou a classificação do tema. Alguns autores consideram os temas de característica contínua como campos, ou seja, superfície contínua sobre a qual as entidades geográficas variam continuamente segundo distribuições. Em SIG e também em cartografia, os elementos de característica contínua podem ser representados por elementos de estrutura vetorial, tais como, conjuntos de pontos regularmente ou irregularmente espaçados, isolinhas (curvas de mesmo valor), redes de polígonos regulares ou irregulares, e também por elementos de estrutura matricial, conjuntos de pixels ou células (tesselação, imagens digitais). Existem também temas na superfície terrestre que apresentam característica discreta, ou seja, apresentam facilidade na localização ou mapeamento direto de bordas entre classes, geralmente entre esses temas estão aqueles construídos pelo ser humano, tais como elementos do sistema viário (ruas, rodovia, avenidas, aeroportos, portos, pontes, etc.), edificações em
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arquivo separado. Abordagens tecnológicas mais recentes tratam o conjunto de camadas como um banco de dados geográficos, onde cada tabela que integra este banco de dados é uma camada temática.
Figura 3 – Camadas temáticas representando (modelando) o mundo real
3.1 Estruturas e Formatos de Dados Geográficos Inicialmente, se faz necessário discriminar conceitualmente o que são dados espaciais e dados geográficos. Os dados espaciais são definidos como sendo qualquer tipo de dado que descrevem fenômenos aos quais esteja associada alguma dimensão espacial, por outro lado, os dados geográficos são definidos como dado espacial cuja dimensão espacial está associada à sua localização na superfície da Terra num determinado instante ou período de tempo. Desta forma, quando se tem um elemento com um sistema de coordenadas local, que não esteja diretamente relacionada com coordenadas geográficas, quando mapeados sobre este sistema de coordenadas local, todos os dados deste objeto serão dados espaciais, por outro lado, se essas coordenadas locais forem transformadas em coordenadas geográficas ou ainda para coordenadas de algum sistema de projeção cartográfica, os dados do elemento serão considerados dados geográficos. Os dados geográficos possuem quatro características fundamentais, a primeira delas é a característica espacial (posição geográfica e geometria do elemento representado), a segunda é a característica não-espacial (descrição alfanumérica, pictórica e sonora do elemento representado), ou seja, além de textos descritivos, a tecnologia atual permite a associação de
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imagens, filmes, sons e hiperlinks aos elementos representados. A terceira característica fundamental é a característica temporal, que trata do tempo de validade do dado geográfico, além de suas variações sobre o tempo. Finalmente, a última característica fundamental é a sua documentação (metadados), que pode conter um grande conjunto de informações úteis para a correta utilização do dado geográfico, precisão e acurácia do dado, restrições e regras para distribuição e acesso, descrição de cada atributo não-espacial, etc. A figura 4 apresenta as quadro características fundamentais de um dado geográfico.
Figura 4 – Características fundamentais do dado geográfico A componente espacial do dado geográfico pode ser armazenada em estrutura vetorial ou matricial. A figura 5 ilustra dados especiais armazenados em estrutura vetorial e em estrutura matricial
Figura 5 – Estruturas de armazenamento de dados espaciais
