engenharia cartográfica cartografia i 2º ano introdução ... · representação computacional do...
TRANSCRIPT
EngEnhArIA CaRToGRáFiCa
Cartografia I – 2º ano
Introdução aos Sistemas de Informações
Geográficas - Parte I
Prof. João Fernando Custodio da Silva
Mariana Dias Chaves
ALVES, W. P. Fundamentos de bancos de dados. Érika. São
Paulo, 2004 p. 382. Base Athena: 519.7 A482f.
SILVA, A. B. Sistema de informações georreferenciadas.
Campinas: Ed. UNICAMP, 1999.Base Athena: 623.72 S578s e.2
Gilberto Câmara – http://www.dpi.inpe.br/gilberto/livro/introd/
Conteúdo da aula
• Parte I
– Introdução
– História
– Conceitos
– Estrutura de Dados
– Sistema de Banco de Dados (SBD)
• Parte II
– MNT e TIN
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Sistema Informação Geográfica
SIG
Geographic Information System
GIS
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
A coleta das informações sobre a distribuição geográfica de recursos
minerais, propriedades, animais e plantas sempre foi uma parte importante
das atividades das sociedades organizadas.
Documentos e mapas em papel
Com a tecnologia
Armazenar e representar tais informações em
ambiente computacional
- aparecimento do geoprocessamento
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Geoprocessamento é o conjunto de ferramentas que utilizam
representações computacionais do espaço geográfico para modelar
e analisar fenômenos espaço-temporais.
SIG é o „sistema‟ que materializa os conceitos do
geoprocessamento
Ferramentas => software, operação sobre os dados e outros elementos
Representação computacional do espaço geográfico => dados
Modelagem => modelo, molde, forma, modo de representar
Análise => decomposição do todo, estudo das partes
Síntese => recomposição do todo, a partir das partes analisadas
Sistema: conjunto organizado de coisas ou partes que formam um todo
complexo ou unitário.
História
• Origem Institucional
• Primeiros passos tecnológicos
• Início da modelagem matemática
• Primeiros sinais do crescimento
• SIG no Brasil
• O INPE e o SIG
• Anos 60: surgem os primeiros SIGs, no Canadá
– Roger Tomlinson (Pai do SIG).
– Parte de programa governamental para criar inventário de recursos naturais.
• Eram muito difíceis de usar:
– não existiam monitores gráficos de alta resolução
– os computadores necessários eram muito grandes e caros
– armazenamento e velocidade de processamento baixas (main
frames)
– a mão de obra rara e cara
– não existiam soluções comerciais prontas para uso
– interessado desenvolvia os próprios programas (tempo e dinheiro)
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Origem institucional
• Anos 70 (mini computadores):
– novos recursos de hardware - desenvolvimento de sistemas
comerciais.
– criada expressão Geographic Information System (GIS).
– sistemas comerciais de CAD (Computer Aided Design, ou projeto
assistido por computador).
– melhoraram as condições para a produção de desenhos e plantas
para engenharia.
– serviram de base para os primeiros sistemas de cartografia
automatizada.
História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Primeiros passos tecnológicos
Introdução
• Anos 70: fundamentos matemáticos voltados para a cartografia,
incluindo questões de geometria computacional.
• Devido aos custos e a que estes proto-sistemas ainda utilizarem
exclusivamente computadores de grande porte, apenas grandes
organizações tinham acesso à tecnologia.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Início da modelagem matemática
• Anos 80: período que a tecnologia SIG acelera o crescimento que dura até os dias de hoje.
• Até então, limitados pelo alto custo do hardware e pela pouca quantidade de pesquisa específica sobre o tema, os SIGs se beneficiaram do avanço e massificação da microinformática e da criação de centros de estudos sobre o assunto.
• Anos 90: Processador Intel 32 bits (1992).
– Com ele os programadores puderam fazer amplo endereçamento da memória e as imagens raster puderam ser processadas e analisadas por inteiro.
• Anos 2000 e seguinte: Processador 64 bits.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Primeiros sinais do crescimento
• Início dos anos 80: a partir do esforço de divulgação e formação de
pessoal feito pelo Prof. Jorge Xavier da Silva (UFRJ).
• 1982: vinda ao Brasil de Roger Tomlinson, responsável pela criação
do primeiro SIG (o Canadian Geographical Information System),
incentivou o aparecimento de vários grupos interessados em
desenvolver tecnologia.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
SIG no Brasil
• 1994: O Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), estabeleceu um grupo específico para o desenvolvimento de tecnologia de geoprocessamento e sensoriamento remoto (a Divisão de Processamento de Imagens - DPI).
• De 1984 a 1990: a DPI desenvolveu o SITIM (Sistema de Tratamento de Imagens) e o SGI (Sistema Geográfico de Informações)
• A partir de 1991: o SPRING (Sistema para Processamento de Informações Geográficas).
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
O INPE e o SIG
• O SPRING unificou o
tratamento de imagens de SR
(ópticas e microondas), mapas
temáticos, mapas cadastrais,
redes e modelos numéricos de
terreno.
• A partir de 1997, o SPRING
passou a ser distribuído
gratuitamente na Internet.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Conceitos
• Conceito de SIG
• Informação
• Sistema
• Dado geográfico
• Estrutura
• Elementos
• Limites da representação
Uma vez um prefeito fez a seguinte pergunta:
- “Por que investir em Cartografia e implantar um SIG se todas as
informações da cidade já estão no Google Earth?”
O que você responderia?
Não adianta ter acesso a um grande conjunto de informações se
elas não estão organizadas de forma a otimizar os processos da
instituição... E em muitos casos não estão visíveis.
Construindo o conceito de SIG
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Informação: Conjunto de
dados que possui um
determinado significado para
um uso ou aplicação em
particular.
É agregado ao dado
um componente adicional : a
interpretação.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Informação
Qual é a diferença de Dado e Informação?
Dado: Conjunto de valores
numéricos ou não que
corresponde à descrição de
fatos do mundo real.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Conceito de sistema:
Grandes quantidades de dados e informações não geram
necessariamente conhecimento.
É preciso também um projeto, uma ideia de organização e
integração das informações sob uma estratégia e um sistema, e é
igualmente necessária a aplicação do trabalho humano sobre elas para
se chegar ao conhecimento (produto desejado).
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Dados de terreno
Dados de imagens
Pessoal
Hardwares e softwares
Toda ação depende de uma decisão, que depende de informação.
As tecnologias do geoprocessamento são ferramentas fundamentais para
o suporte no processo de tomada de decisão .
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Informação x Decisão x Ação
Quando possui como um de seus atributos ou propriedades
intrínsecas, a componente posicional em relação ao referencial
geográfico ou espacial considerado.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Quando um dado é geográfico?
Estrutura de um SIG:
• PESSOAS
• HARDWARE
• SOFTWARE
• DADOS
• MÉTODOS
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Elementos de um SIG:
• FEIÇÕES: entidades; abstrações da realidade
• ATRIBUTOS: dados, características
• FUNÇÕES: processos modificadores dos atributos
• RELAÇÕES: entre feições; topologia
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Limites da representação
• Limites da atual geração de SIG
– Modelos estáticos da realidade
• Desafio para os SIGs
– Transformar sistemas estáticos em ferramentas de modelagem
dos processos espaços-temporais (dinâmicos)
• Dificuldades
– Mundo real x representação computacional
– Modelos realistas de processos físicos e socioeconômicos
– Visualização x apresentação espaço-temporal
Estruturas de dados
• Estruturas vetoriais
• Estruturas matriciais
• Comparação de formatos
• Conversão de formatos
A estrutura dos dados remete a diferentes maneiras de
armazenamento e representação dos mesmos:
Vetorial
Ponto
Linha
Área/Polígono
Rede
Matricial
Células
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Representação vetorial: associar coordenadas 2D às feições geográficas.
Estruturas Vetoriais
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Estrutura de dados Vetoriais
Pontos Linhas Polígonos
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Comparando formatos
Matriz: maior variação de dados e bordas menos precisas.
Falta de dados é facilmente identificada.
SIG realiza a conversão. Alguns problemas esperados:
• Vetor matriz: perde a precisão do vetor
• Matriz vetor: perde a variação dos dados
• Matriz vetor (polígonos): distorções nas bordas
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Conversão entre modelos vetoriais e matriciais
Cada formato tem capacidades únicas e também limitações.
Um formato não é melhor que o outro.
Formatos apropriados para diferentes tipos de análise.
Deve-se usar ambos formatos quando apropriado.
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Matriz Vetor
Conjunto ou coleção de dados inter-relacionados de um determinado
domínio.
Podemos compreender como dados os objetos conhecidos que podem
ser armazenados e que possuem um significado implícito.
Ex.: banco de dados geográficos (BDG)
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Banco de dados
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
• Características:
– Pode ser atualizado manualmente ou de maneira automática via
computador.
– Ex.: livros que estão disponíveis na biblioteca.
– Os dados têm um propósito específico.
Banco de dados
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
• Características:
– Vários arquivos, diferentes programas para recuperar
informações
• Desvantagens:
– Redundância e inconsistência de dados
– Dificuldade de acessar informação (programa pode não estar
disponível)
– Anomalias de acesso concorrente (multiusuários)
– Problemas de segurança e integridade
– Isolamento de dados
Bancos de Dados Convencionais
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
• SBD gerencia os dados geográficos contidos no SIG.
• SBD tradicionais foram estendidos para dar suporte aos dados
espaciais.
Por que estudar Sistemas de Banco de Dados (SBD)?
Introdução História Conceitos Estrutura de Dados SBD
Componentes de um SBD:
• DADOS
• HARDWARE
• SOFTWARE
• USUÁRIOS
Resumo da Parte I
• Introdução GIS/SIG e Geoprocessamento
• História Origem do SIG e SIG no Brasil
• Conceitos SIG e o Conhecimento
• Estrutura de dados: matriz e vetores
• Importância dos SBDs
Conclusão I
SIG é “sistema” baseado na interação software, hardware, pessoas e
informações espaciais (geográficas) com o propósito de criar, editar,
pesquisar, analisar e apresentar as informações geográficas.
EngEnhArIA CaRToGRáFiCa
Cartografia I – 2º ano
Introdução aos Sistemas de Informações
Geográficas - Parte II
Prof. João Fernando Custodio da Silva
Mariana Dias Chaves
Conteúdo da aula
• Introdução
– Dados cotados e isolinhas
• Estrutura de Dados: representação de MNT
– Processo de modelagem
– TIN
As estruturas vetoriais são utilizadas em três tipos de representação:
– Conjunto de amostras de pares ordenados (x,y,z), onde (x,y) e uma
localização no plano e z um valor numérico de atributo (no caso,
altitude).
– Conjunto de isolinhas (curvas de nível)
– TIN (Triangular Irregular Network): malha/rede/grade de triângulos
irregulares ou malha irregular triangular
Estrutura de Dados: representação de MNT
Um MNT descreve (discretiza) a variação espacial contínua de uma
grandeza (altitude) de uma região.
Um modo de representação tridimensional do terreno.
Modelo Numérico de Terreno (MNT)
Estrutura de Dados: representação de MNT
MNT = MDT = DTM
Realidade (relevo é contínuo: infinitos pontos)
Amostragem
Modelagem (MNT)
Aplicação
Dados de entrada
Pontos 3D
Isolinhas
Criação de estruturas (grades) Regulares
Irregulares (TIN)
Projeção Imagens
Contornos Volumes
...
Estrutura de Dados: representação de MNT
1. Aquisição dos elementos da amostra ou amostragem
Geração de modelos
Após a geração do modelo, diversas aplicações podem ser feitas.
2 etapas
2. Geração do modelo por triangulação ou interpolação
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Grade regular Grade irregular (TIN)
Grade irregular (TIN)
• conexão entre amostras
(pontos)
Grade regular
• elemento com espaçamento
fixo (regular).
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Grade regular Grade irregular
Pontos da grade
Pontos da amostra
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
1. Aquisição dos elementos da amostra ou amostragem
Geração de modelos
Após a geração do modelo, diversas aplicações podem ser feitas.
2 etapas
2. Geração do modelo por triangulação ou interpolação
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Grade regular Grade irregular (TIN)
- Malha regular
interpolação (método do vizinho mais próximo)
- Malhar irregular
triangulação (Delaunay)
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
INTERPOLAÇÃO
Operação pela qual, conhecidos os valores de uma função
correspondentes a certos valores da variável, se determinam os que
correspondem a outros valores da mesma variável.
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
A interpolação pode ser feita a partir de pontos, linhas e polígonos.
• Interpolação a partir de pontos:
– Vizinho mais próximo
– Média simples
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Exemplo: estações de medida de temperatura (°C)
Como estimar o valor para a estação que não possui valor disponível?
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Método de Interpolação Vizinho mais próximo: Usando o valor do ponto
mais próximo.
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Método de Interpolação Média simples : Usando o valor da média de
todos os pontos.
• Utilidades da interpolação:
– Transformar dados vetoriais em matriciais
– Modificar detalhes de imagens vetoriais para comparação de mapas
– Auxiliar no processo de decisão espacial
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Uma rede de triângulos irregulares é formada pela conexão dos
elementos do conjunto amostral.
A rigor existem variadas possibilidades de produzir uma malha
com um grande conjunto de pontos.
Nesse caso a superfície produzida não necessita de interpolação
de valores observados.
Malha Triangular Irregular (TIN)
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Critério: maximização dos ângulos mínimos
Triangulação de Delaunay
Com esse critério é
possível reduzir para
uma menor combinação
possível de triângulos.
Esse critério equivale a
geração de triângulos
mais aproximados de
equiláteros.
Evita ângulos afinados.
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Transformação da triangulação de Delaunay, de (a) para (b), para manter
as características topográficas da superfície.
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
1. Podem ser incluídas linhas que representam máximos ou mínimos da
superfície.
Restrições
2. Relevo topográfico é caracterizado por divisores de água onde pode
ocorrer uma linha de máximo e drenagem que caracterizem valores
mínimos.
A triangulação é feita a partir dessas linhas
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
Evitando problema de criação de patamares: (a) Triangulação de Delaunay
e (b) Triangulação com restrição.
Amostragem Dados de entrada Modelagem Grades TIN
GRADE
CARACTERÍSTICAS
REGULAR IRREGULAR (TIN)
Regularidade na distribuição
espacial dos vértices Sim Não
Como os vértices são
estimados
Retângulos: a partir
das amostras
(interpolação)
Triângulos:
pertencem ao
conjunto amostral
Representação de superfícies
com grandes variações locais Apresenta problemas
Apresenta boa
solução
Estrutura de dados Simples Complexa
Aplicação Qualitativas Quantitativas
Realidade
Amostragem
Modelagem (MNT)
Aplicação
Dados de entrada
Pontos 3D
Isolinhas
Criação de estruturas (grades) Regulares
Irregulares (TIN)
Projeção Imagens
Contornos Volumes
...