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Noções Básicas sobre Geoprocessamento Marisa Prado Gomes –
[email protected] Marcelo Cabral de Aguiar –
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Por que Geoprocessamento ?
Dados com distribuição geográfica MAPAS Desenvolvimento de tecnologias computacionais para tratar estas informações- Geoprocessamento
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Geoprocessamento e SIG Geoprocessamento representa a área do conhecimento que utiliza técnicas matemáticas e computacionais para tratar a informação geográfica. Sistemas de Informação Geográfica (SIG) são as
ferramentas computacionais para Geoprocessamento, integrando dados de diversas fontes em bancos de dados geo-referenciados. Brasil - potencial para tomada de decisões problemas urbanos, rurais e ambientais.
em
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HISTÓRICO Em 1854, Londres - grave epidemia de cólera, doença sobre a qual na época não se conhecia a forma de contaminação. Numa situação aonde já haviam ocorrido mais de 500 mortes, o doutor John Snow teve um “estalo”: colocar no mapa da cidade a localização dos doentes de cólera e dos poços de água (naquele tempo, a fonte principal de água dos habitantes da cidade).
Mapa de Londres com casos de cólera (pontos) e poços de água (cruzes) (adaptado de E. Tufte, 1983).
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HISTÓRICO •
Com a espacialização dos dados, o doutor Snow percebeu que a maioria dos casos estava concentrada em torno do poço da “Broad Street” e ordenou a sua lacração, o que contribuiu em muito para debelar a epidemia. Este caso forneceu evidência empírica para a hipótese (depois comprovada) de que o cólera é transmitido por ingestão de água contaminada. Este é uma situação típica aonde a relação espacial entre os dados muito dificilmente seria inferida pela simples listagem dos casos de cólera e dos poços.
•
O mapa do doutor Snow passou para a História como um dos primeiros exemplos que ilustra bem o poder explicativo da análise espacial.
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HISTÓRICO No Mundo:
Anos 50 - Inglaterra - botânica e USA - volume de tráfego - Anos 60 - Canadá - inventário de recursos naturais - Anos 70 - Geographic Information System & CAD - Anos 80 - massificação, avanço da microinformática NCGIA - Geoprocessamento como disciplina Popularização e barateamento -> difusão Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
HISTÓRICO No Brasil
– Início década 80 - Prof. Xavier (UFRJ) e visita de R.Tomlinson - criador do 1o SIG: UFRJ - (SAGA) Sistema de Análise Geo-Ambiental – MaxiDATA - MaxiCAD, dbMapa – CPqD/TELEBRÁS - (SAGRE) Sistema Automatizado de Gerência da Rede Externa - VISION e ORACLE – INPE - 1984-1990 - SITIM e SGI, 1991 - SPRING Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Geoprocessamento
• Produção de Mapas: geração visualização de dados espaciais.
e
• Banco de Dados: armazenamento e recuperação de informação espacial. • Análise Espacial: combinação informações espaciais.
de
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Geoprocessamento e Dados espaciais
• Espaço Geográfico – coleção de localizações
• Informação espacial – objetos com propriedades: localização e relação com outros objetos – RelaçõesTopológicas Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Geoprocessamento e Dados espaciais
• Dados geográficos - representação dual – localização e atributos
• Localização – representação da superfície terrestre – processos no espaço geográfico
• Atributos – descrição do fenômeno – representação num banco de dados Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
O que é possível realizar com dados espaciais e Geoprocessamento?
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O que é possível realizar com dados espaciais e Geoprocessamento?
• Correlação espacial – vizinhos tendem a ser “mais semelhantes”
• Correlação entre variáveis – processos de ocupação do espaço
• Correlação temporal – evolução dos dados espaciais
• Correlação topológica – relações espaciais entre dados
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FIG1
Núcleo SIG
Componentes centrais, aplicações e usuários típicos de um SIG Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Sistemas de Informação Geográfica • Ambiente computacional para Geoprocessamento – Integrar dados cartográficos, cadastrais, de sensores remotos, redes e modelos numéricos de terreno.
– Consultar, recuperar, visualisar, manipular e plotar o conteúdo de um banco de dados geo-referenciado.
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Componentes de um SIG Hardware. Componentes físicos do sistema: CPU e periféricos de entrada e saída das informações (mesa digitalizadora, scanner, plotter, teclado, etc); Software. Programas (ambientes computacionais) envolvendo dados geo-referenciados. Ex: ArcInfo, ArcView, SPRING, IDRISI, MapInfo. Peopleware. Dois grupos: analistas e programadores, e usuários finais. Com o incremento da informatização, os grupos vem se sobrepondo. Base de Dados. Arquivos onde os dados são armazenados e interrelacionados; Métodos e Procedimentos de entrada, processamento e saída dos dados. 1) evitar redundância de informações; 2) otimizar o uso dos equipamentos; 3) gerar resultados condizentes com as necessidades de dos usuários.
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Sub-sistemas de um SIG Coleta dos Dados. Através de levantamentos de campo, mapeamentos com uso de fotografias aéreas e imagens de satélite, aplicação de questionários, compilação de dados já existentes (analógicos), etc; Entrada e Verificação dos Dados. Envolve duas operações distintas: a codificação/conversão das informações (meio digital) digital e a criação de bases de dados; Armazenamento e Gerenciamento. Maneira pela qual os dados são estruturados e organizados na Base de Dados, propiciando uma rápida e eficiente recuperação/inserção das informações; Pré-processamento dos Dados. Mudanças de escala, projeção cartográfica, estrutura (ex: vetorial para matricial ou vice-versa); União de bases de dados; Conversão entre tipos de arquivos, etc... Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Sub-sistemas de um SIG Processamento dos Dados. Localização de uma entidade e listagem de seus atributos; Atualização dos dados; Cálculo de áreas, perímetro e distâncias; Posicionamento; Operações aritméticas; Cálculos estatísticos; Classificação entre planos de informação; Filtragens espaciais, etc... Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Estrutura de um SIG Interface
Entrada e Integração de Dados
Consulta e Análise Espacial
Visualização Plotagem
Gerência Dados Espaciais
Banco de Dados Geográfico
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Métodos básicos para coleta de dados utilizados no SIG Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
AMBIENTE DE TRABALHO EM SIG • Organizacao baseada em banco de dados – SPRING, MGE • Esquema conceitual do banco de dados geograficos – Atributos nao espaciais, representacao geometricas
• Organizacao baseada em projetos – Arc/Info, SGI/INPE, IDRISI • Referencial geografico – Entidades geograficas
• Projetos Planos de Informacoes… – Diferentes variaveis integradas ao banco de dados… • Combinacao de fenomenos de interesse… Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
TECNOLOGIAS RELACIONADAS • Cartografia - técnicas de confecção de mapas; • CAD (Computer Aided Drafting) e Computação Gráfica • Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados • Sensoriamento Remoto • Inteligência Artificial - provê modelos e técnicas de sistemas de desenho e análise; • Estatística • Informática Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Correspondência entre Universos Universo do mundo real
Universo conceitual
Universo de representação
Universo de implementação
Mapa de vegetação
Geo-campo
Matriz de inteiros
Quad-tree
Temático
Subdivisão Planar
Linhas 2D (com R-Tree)
Mapa altimétrico
Geo-campo
Grade regular
Matriz 2D
Numérico
Grade triangular
Linhas 2D e Nós 3D
Conjunto Pontos 3D
Pontos 3D (KD-tree)
Conjunto Isolinhas
Linhas 2D
Lotes urbanos
Geo-objetos
Polígonos e Tabela
Linhas 2D e Nós 2D
Rede elétrica
Rede
Grafo Orientado
Linhas 2D (com R-Tree)
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Outros Sistemas de Geoprocessamento CADD (Computer Aided Design and Drafting) ou Projeto Assistido por Computador, Computador é uma tecnologia normalmente empregada para a produção de mapas como substituição ao processo cartográfico tradicional. Características gerais: gerais Dados organizados em camadas; Redução no tempo para elaboração de mapas; Economia de recursos cartográficos; Atualizações simplificadas (só modifica o elemento selecionado); Não é um sistema adequado para realizar análises espaciais; As relações espaciais não são definidas na estrutura de dados. dados Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Outros Sistemas de Geoprocessamento AM/FM (Automated Mapping Facility Management) ou Gerenciamento de Serviços de Utilidade Pública por meio de mapeamento automatizado. automatizado Características gerais: gerais Baseia-se na tecnologia CADD; Apresentação gráfica menos precisa e detalhada do que o CADD; Ênfase no armazenamento, na análise e na emissão de relatórios; Relações entre os componentes definidas como redes (Networks); Atributos não-gráficos podem ser ligados aos dados gráficos; Dentre as limitações estão a não-definição de relações espaciais. espaciais
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VANTAGENS DO SIG Difere dos sistemas CADD e AM/FM por definir as relações espaciais entre todos os dados, sendo assim mais indicado para análises espaciais; A topologia dos dados vai além da mera descrição da localização e geometria das feições cartográficas. A Topologia descreve como as feições lineares estão conectadas, como as áreas são limitadas, e quais áreas são contíguas; O SIG possui uma estrutura de dados representada por nós (nodes), nodes arcos (lines) e áreas (polygons); Além de dados geométricos espaciais, o SIG apresenta atributos associados com os elementos topológicos, provendo maiores informações descritivas; Por permitir acesso a ambos os dados (espaciais e atributos), atributos ao mesmo tempo, o SIG possibilita buscar o dado atributo e relacioná-lo com o dado espacial e vice-versa. Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Softwares 1. Processamento Digital de Imagens: ENVI IDRISI ERDAS SPRING 2. Sistema de Informações Geográficas: ARCGIS ARCVIEW ARCINFO SPRING; Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Exemplos de Aplicação
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Cobertura Vegetal / Uso e Ocupação Interpretação & Procedimentos Cartográficos Aquisição e confecção das bases 1:250000 Limite, estradas, drenagem, curvas de nível
Aquisição das imagens Landsat 7 ETM+ Correções, registro
Interpretação das imagens Classificação Identificação e seleção de padrões Checagem de campo
Planejamento da produção cartográfica Banco de dados
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APLICAÇÕES Qualquer setor que trabalhe com informações que possam ser relacionadas a pontos específicos do território pode, em princípio, valer-se de ferramentas de geoprocessamento.
a) Ordenamento e gestão do território (este é o uso mais difundido): constituição de uma base cartográfica geoprocessada que servirá às demais aplicações setoriais, que reproduza a configuração do território do município, identificando logradouros, lotes e glebas, edificações, redes de infra-estrutura, propriedades rurais, estradas e acidentes geográficos. A base assim constituída é útil para as atividades de planejamento urbano e ordenação do uso do solo, inclusive para processos de revisão da legislação.
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APLICAÇÕES b) Otimização de arrecadação: a atualização da base cartográfica do município para a implantação da base geoprocessada fornece um volume significativo de informações para a revisão da planta genérica de valores. O recomendável é que as duas ações sejam realizadas de forma articulada. Com isso, inclusive, consegue-se gerar um aumento de receita capaz de compensar os investimentos na base geoprocessada e gerar recursos adicionais para o município. Logicamente, será necessário proceder à atualização periódica dessas informações, mas a existência de um bom ponto de partida facilita as ações posteriores.
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APLICAÇÕES c)
Localização de equipamentos e serviços públicos : a partir de uma base cartográfica que inclua informações sócio-econômicas e sobre equipamentos públicos é possível identificar áreas com maior nível de carência e os melhores locais para instalação de equipamentos e serviços públicos. Estas decisões podem ser tomadas com base em critérios de necessidade e de acessibilidade aos locais.
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APLICAÇÕES d) Identificação de público-alvo de políticas públicas: à medida que se possua uma base de dados que incorpore dados sócioeconômicos, é possível utilizá-la para desenhar políticas públicas. dispondo-se, por exemplo, de informações sobre crianças residentes no município e a incidência de doenças, é possível desenhar ações de saúde específicas para micro-regiões da cidade. Ou, cruzando-se os dados sobre renda das famílias e desempenho escolar, pode-se identificar o público-alvo para programas de renda mínima ou bolsaescola. Ou, ainda, identificando-se as áreas da cidade com maior concentração de idosos pode-se definir áreas prioritárias para programas de atendimento domiciliar à saúde ou áreas com carências especiais de saúde que possam ser atendidas por programas de médico de família.
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APLICAÇÕES e) Gestão ambiental: o geoprocessamento é útil para monitorar áreas com maior necessidade de proteção ambiental, acompanhar a evolução da poluição da água e do ar, níveis de erosão do solo, disposição irregular de resíduos e para o gerenciamento dos serviços de limpeza pública (acompanhando por área da cidade o volume de resíduos coletado e para análise de roteiros de coleta).
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APLICAÇÕES f) Gerenciamento do sistema de transportes: a base cartográfica é indispensável para a gestão do sistema de transportes do município. Sua informatização através de recursos de geoprocessamento pode ampliar a qualidade e a velocidade das decisões tomadas. É possível, por exemplo, realizar estudos de demanda do transporte coletivo ou de carregamento de vias, identificar pontos críticos de acidentes e vias com mais necessidade de manutenção. Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
APLICAÇÕES •
g) Comunicação com os cidadãos: ao se constituir uma base de dados mais elaborada, pode-se incorporar a ela informações que permitam identificar necessidades e oportunidades de contato com os cidadãos. Pode-se, por exemplo, identificar com precisão as áreas afetadas por determinada decisão do governo e planejar ações de comunicação específicas para aquele público. Outro uso possível é registrar as solicitações dos cidadãos e analisá-las sobre a base cartográfica, permitindo uma melhor gestão das relações do governo com os cidadãos. Esta mesma aplicação pode funcionar como instrumento de controle social do governo, permitindo que entidades da sociedade civil, a ouvidoria pública municipal ou mesmo cidadãos individualmente possam ter livre acesso às informaçòes sobre que regiões da cidade estão sendo mais beneficiadas pelas ações do governo municipal.
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APLICAÇÕES • h) Gestão da frota municipal: com recursos de geoprocessamento é possível obter informações sobre os tipos de usos da frota municipal, conhecendo os trajetos mais comuns e sua intensidade. Estas informações possibilitarão a definição de roteiros otimizados para a frota municipal, gerando economia de tempo, combustível e uso de veículos.
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APLICAÇÕES Segurança Pública Saúde Cultura/Lazer Localização e obtenção de dados referentes aos canos de água, os fios de telefone ou da rede elétrica; além da rede particular — cabos de fibra óptica das empresas de telecomunicação ou cabos de televisão por assinatura. • Como planejar estratégias urbanísticas sem ter dados sobre a densidade demográfica por região, sem saber por onde passam os rios e lençóis d'água subterrâneos e sem ter noção da malha viária existente? • Disponibilização dos dados coletados a toda a comunidade através da Internet. • Plano diretor • • • •
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APLICAÇÕES • Cadastros de Árvores; • Cadastros de Postes; • Cadastro de Equipamentos Urbanos (Placas, Quiosques, Telefones, Sinalização); • Cadastros de Interferências (Vias, Dutos, LTs, etc); • Cadastros de Benfeitorias em Propriedades Rurais (Desapropriação); • Cadastro de Logradouros; • Cadastros de Numeração Predial Urbana; • Cadastro para Distribuidoras de Gás (Usuários); • Cadastro de Telefonia e TV a Cabo (Equipamentos e Usuários); • Revisão de Cadastro Urbano. Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
APLICAÇÕES Agricultura e planejamento do uso da terra - Avaliação da aptidão agrícola; - monitoramento da produção agrícola; - Agricultura de precisão (integração SIG/GPS) - Predição da erosão do solo.
Fonte: Aronoff (1991)
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APLICAÇÕES Silvicultura e o gerenciamento da vida silvestre. Elaboração de inventários florestais, visando controlar os recursos naturais destas áreas, tais como madeiras, fauna, flora, recursos hídricos / mananciais hídricos. Arqueologia. Uma das missões em comum dos Parques Nacionais e Reservas Florestais é a proteção de sítios arqueológicos. Técnicas de Geoprocessamento tem sido aplicadas tanto para analisar sítios conhecidos quanto para predizer a localização daqueles ainda não descobertos. Geologia. Integração de dados geo-referenciados voltados para a exploração mineral, mapeamento da geologia regional, lineamentos, etc.
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APLICAÇÕES Aplicações Municipais. Gerenciamento de Informações sobre zoneamento, estradas, escolas, hospitais, segurança pública, reservas ecológicas, áreas de lazer, etc. Elaboração de mapa base. base
Fonte: Aronoff (1991)
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LIMITAÇÕES Custos • Hadware • Software • Peopleware Mão-de-Obra qualificada – desde o operador técnico do sistema até a equipe multidisciplinar que utilizará dos recursos oferecidos para o planejamento e a gestão do espaço urbano. Infra-estrutura Treinamento SIAD – Amazônia (2005)
Os Sistemas ArcInfo e ArcView
Atualmente, são os SIG’s mais utilizados em funções de Geoprocessamento, envolvendo análises ambientais, urbanas e sociais; Foram desenvolvidos nas décadas de 80 e 90, respectivamente, pela ESRI (Environmental Systems Research Institute). O sistema ArcInfo é utilizado, principalmente, na elaboração de dados geográficos de origem primária e secundária, secundária etapas onde se exige maior gama de recursos (entrada de dados, conversão, integração/cruzamento e análise das informações).
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