Apostila geoprocessamento PDF

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processamento informatizado de dados georreferenciados. Utiliza programas de computador que permitem o uso de informações cartográficas (mapas, cartas topográficas e plantas) e informações a que se possa associar coordenadas desses mapas, cartas ou plantas....

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UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL ÁREA DE TECNOLOGIA E COMPUTAÇÃO Disciplina: Geoprocessamento

Créditos: 4

Professor: Eliseu Weber

C / H total: 68

GEOPROCESSAMENTO APOSTILA DA PARTE TEÓRICA

Canoas, fevereiro de 2017.

Índice 1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 1 1.1. A importância da informação geográfica ............................................................................ 1 1.2. Geoprocessamento e Sistemas de Informação Geográfica (SIG)........................................ 2 1.3. Breve histórico dos SIG....................................................................................................... 2 1.3.1. Progressos conceituais e tecnológicos .......................................................................... 4 1.4. Componentes de um SIG ..................................................................................................... 5 1.4.1. Hardware ...................................................................................................................... 5 1.4.2. Software........................................................................................................................ 6 1.4.3. Dados ............................................................................................................................ 6 1.4.4. Pessoas.......................................................................................................................... 6 1.4.5. Metodologias ................................................................................................................ 6 1.5. Geoprocessamento e multidisciplinaridade ......................................................................... 6 2. NOÇÕES BÁSICAS DE CARTOGRAFIA ......................................................................... 7 2.1. Determinação de coordenadas ............................................................................................. 8 2.1.1. Determinação de latitude e longitude ........................................................................... 8 2.1.2. A determinação de coordenadas e a forma da Terra .................................................. 10 2.1.3. Sistemas geodésicos de referência ............................................................................. 11 2.2. Representação do Globo no plano ..................................................................................... 12 2.2.1. Projeções cartográficas ............................................................................................... 13 2.2.2. Classificação das projeções cartográficas: ................................................................. 13 2.2.2.1. Quanto ao método .................................................................................................. 13 2.2.2.2. Quanto à superfície de projeção ............................................................................ 14 2.2.2.3. Quanto às propriedades ......................................................................................... 15 2.2.2.4. Quanto ao tipo de contato entre as superfícies de projeção e de referência .......... 15 2.3. Escala................................................................................................................................. 16 2.4. O Mapeamento Sistemático do Brasil ............................................................................... 16 2.4.1. Projeção Universal Transversa de Mercator (UTM) .................................................. 17 2.4.1.1. Características básicas da projeção UTM .............................................................. 17 2.4.1.2. Divisão sistemática do mapeamento na projeção UTM ........................................ 19 3. REPRESENTAÇÃO DE DADOS ESPACIAIS EM SIG ................................................. 23 3.1. Modelos de representação de dados espaciais ................................................................... 23 3.1.1. Modelo Matricial (Raster ) ......................................................................................... 23 3.1.2. Modelo Vetorial ......................................................................................................... 24 3.1.3. Comparação entre matricial e vetorial........................................................................ 25 3.2. Organização da base de dados ........................................................................................... 26 3.3. Organização do ambiente de trabalho ............................................................................... 27 4. RELAÇÃO ENTRE PROGRAMAS DE SIG E CAD ...................................................... 27 5. FONTES DE DADOS E MÉTODOS DE ENTRADA ...................................................... 29 5.1. Mapas analógicos (em papel) ............................................................................................ 29 5.1.1. Digitalização manual .................................................................................................. 29 5.1.2. Digitalização ótica (escanerização) ............................................................................ 30 5.1.2.1. Importação ............................................................................................................. 30 5.1.2.2. Georreferenciamento ............................................................................................. 30 5.1.2.3. Vetorização ............................................................................................................ 32 5.2. Camadas digitais ................................................................................................................ 33 5.3. Sensoriamento Remoto...................................................................................................... 34 i

5.3.1. Imagens orbitais ......................................................................................................... 35 5.3.1.1. Processamento de imagens .................................................................................... 37 5.3.1.2. Operações necessárias para uso de imagens em SIG............................................. 38 5.3.1.2.1 Importação ........................................................................................................ 38 5.3.1.2.2 Georreferenciamento ........................................................................................ 38 5.3.1.2.3 Extração de informações .................................................................................. 38 5.3.2. Imagens aéreas ........................................................................................................... 40 5.4. GPS .................................................................................................................................... 42 5.4.1. Segmento espacial - os satélites ................................................................................. 43 5.4.2. Segmento de controle – as estações ........................................................................... 43 5.4.3. Segmento usuários - os receptores ............................................................................. 44 5.4.4. Tipos de dados em GPS.............................................................................................. 46 5.5. Topografia ......................................................................................................................... 47 6. ANÁLISE EM SIG ............................................................................................................... 49 6.1. Funções e operações de análise espacial em SIG .............................................................. 49 6.2. Abordagem didática........................................................................................................... 51 6.2.1. Visualização e consultas à base de dados ................................................................... 51 6.2.2. Análises de distância .................................................................................................. 52 6.2.3. Análises de contexto/vizinhança ................................................................................ 53 6.2.4. Cruzamentos e álgebra de mapas ............................................................................... 53 7. ASPECTOS INSTITUCIONAIS DE UM SIG .................................................................. 54 7.1. Uma nova forma de pensar e agir ...................................................................................... 54 7.2. Principais passos na implementação de um SIG ............................................................... 55 8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................. 56

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Lista de figuras Figura 1. Componentes de um SIG do ponto de vista de sistema. .................................................. 5 Figura 2. Esquema dos meridianos e paralelos e a gradícula formada pela sua intersecção. ........ 8 Figura 3. Latitude e longitude do prédio 14 da ULBRA Canoas, obtidas no Google Earth. .......... 9 Figura 4. Esquema da medição da latitude () e da longitude () de um ponto. ............................ 9 Figura 5. Diferença entre a superfície topográfica da Terra, o elipsóide e o geóide..................... 11 Figura 6. (a) Posicionamento de um ponto através de um sistema geodésico de referência e (b) ilustração da diferença de origem e dimensões do elipsóide entre dois sistemas geodésicos de referência. .............................................................................................. 11 Figura 7. Exemplo de desencontro de projeto executado em duas partes (a) com sistemas geodésicos de referência diferentes e (b) com o mesmo sistema geodésico de referência. ..................................................................................................................... 12 Figura 8. Exemplos de diferentes projeções cartográficas e deformações resultantes de seu uso. ...................................................................................................................................... 13 Figura 9. Tipos de superfícies de projeção e diferentes posições em relação ao Globo. .............. 14 Figura 10. Ilustração do desenvolvimento (a) de um cilindro e (b) de um cone, para o plano. .... 15 Figura 11. Esquema da projeção Universal Transversa de Mercator (UTM): (a) Posição do cilindro, com eixo perpendicular ao meridiano de tangência; (b) Divisão do Globo em fusos de 6º de longitude. ............................................................................................... 17 Figura 12. Coordenadas planas no sistema UTM: (a) Origem das coordenadas no Equador e Meridiano Central em um fuso; (b) Esquema de um sistema de coordenadas cartesiano e métrico associado ao fuso, em cuja origem são adicionadas as constantes em X e Y para evitar valores negativos. ....................................................................................... 18 Figura 13. Articulação das folhas UTM na escala 1:1.000.000 (divisão ao milionésimo). .......... 19 Figura 14. Esquema da divisão de folhas na projeção UTM, da escala 1:1.000.000 até a escala 1:25.000. ....................................................................................................................... 20 Figura 15. Esquema das três indicações de Norte existentes em cartas na projeção UTM. ......... 21 Figura 16. Aparência de uma carta UTM na escala 1:50.000 (essa é a escala original, aqui a carta foi reduzida para caber na folha A4). ........................................................................... 22 Figura 17. Representação de um objeto nos modelos matricial e vetorial. ................................... 23 Figura 18. Esquema de dados vetoriais nas estruturas Spaghetti e Topológica. ........................... 24 Figura 19. Ilustração das diferenças de representação entre os modelos raster e vetorial. .......... 25 Figura 20. Representação da realidade através de camadas, ou planos de informação. ............... 26 Figura 21. Digitalização manual em mesa digitalizadora ............................................................. 29 Figura 22. Ilustração do processo de georreferenciamento. .......................................................... 31 Figura 23. Ilustração do processo de vetorização em tela: (a) vetorização de um curso d’água sobre uma carta escaneada; (b) camada, ou plano de informação, com o resultado da vetorização. ................................................................................................................... 32 Figura 24. O espectro eletromagnético (Lillesand & Kiefer, 1987, adaptado). ............................ 34 Figura 25. Comportamento espectral de alguns elementos (Lillesand & Kiefer, 1987, adaptado). ...................................................................................................................................... 35 iii

Figura 26. Representação do processo de aquisição de uma imagem de satélite e geração de mapas temáticos (Lahm, 1999). .................................................................................... 36 Figura 27. Exemplo de uma imagem de satélite, com ampliação de uma porção que evidencia os pixels do modelo matricial. ........................................................................................... 36 Figura 28. Exemplo de fotografia aérea e de camadas vetoriais geradas por restituição aerofotogramétrica. ....................................................................................................... 41 Figura 29. Exemplo de (a) VANT de asa fixa (Rock et al., 2011) e (b) de um modelo digital de elevação (altitude) produzido a partir de fotografias obtidas com um VANT (D’OleireOltmanns et al., 2012). .................................................................................................. 42 Figura 30. Esquema dos três segmentos do sistema GPS. ............................................................ 42 Figura 31: A constelação de satélites GPS. ................................................................................... 43 Figura 32. Distribuição das estações e antenas do segmento de controle. .................................... 44 Figura 33. Exemplos de receptores GPS. ...................................................................................... 44 Figura 34. Ilustração do cálculo de uma coordenada pelos receptores. ........................................ 45 Figura 35. (a) Posicionamento geométrico dos vértices de uma área em um levantamento topográfico e (b) projeção do terreno no plano para obtenção das medidas. ............... 47 Figura 36. Exemplo de cruzamento de camadas ou planos de informação................................... 54

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1. INTRODUÇÃO 1.1. A importância da informação geográfica O mundo passa por uma revolução tecnológica na qual a inserção da informação geográfica nas atividades diárias das pessoas e das empresas é cada vez maior. Em alguns casos essa inserção é tão rotineira que passa despercebida – como na questão quotidiana do caminho a tomar para ir e voltar do trabalho ou da faculdade, por exemplo. Muitos de nós possuímos receptores GPS, que nos auxiliam no deslocamento pela cidade, especialmente por bairros ou zonas nos quais não estamos acostumados a trafegar. Também é muito comum acessarmos a internet, no computador, tablet ou smartphone, para encontrar endereços e definir o melhor caminho para chegar até eles. Ou ainda fazer buscas para identificar estabelecimentos como cinemas, restaurantes ou farmácias nas proximidades de onde estamos para nos deslocarmos o mínimo possível. Até para o lazer ou o turismo, é possível analisar através da Internet mapas e imagens de locais de interesse e obter vistas tridimensionais muito realistas de alguns pontos, como se efetivamente estivéssemos “mergulhados” no lugar. Sem dúvida, grande parte dos exemplos acima se tornou realmente comum após o surgimento do Google Earth, em 2006, que possibilitou o acesso a esses recursos gratuitamente a qualquer pessoa com acesso à Internet, de uma forma fácil e intuitiva. O sucesso do Google Earth também fez surgir outros sistemas similares tais como o Virtual Earth e o Bing Maps, da Microsoft, ou o OpenStreet Maps, produto colaborativo da comunidade de software livre, entre outros exemplos. Mas não foi apenas a facilidade de acesso que popularizou o uso dessas ferramentas. O que realmente as fez se disseminarem foi o fato de que elas nos permitem resolver problemas práticos do dia a dia, ou seja, elas efetivamente dão resultado e facilitam nossa vida, elas são verdadeiramente úteis. E isso tem uma razão, como é explicado por Longley et al (2011): “Quase tudo que acontece, acontece em algum lugar. Nós humanos desenvolvemos nossas atividades na superfície ou nas proximidades da superfície da Terra. Viajamos sobre sua superfície e nas camadas inferiores da atmosfera, e andamos em túneis escavados logo abaixo da superfície. Cavamos valas e enterramos dutos e cabos, construímos minas para chegar às jazidas minerais e perfuramos poços de petróleo e gás... Saber o local onde algo acontece pode ser criticamente importante, caso se queira ir ou enviar alguém até lá, ou informar algo à população que mora nas proximidades. De outro lado, as decisões também têm consequências geográficas... Por isso a localização geográfica é um importante atributo de atividades, de políticas, de estratégias e de planos.” A importância da localização geográfica para muitos dos processos naturais e para a maioria das atividades humanas já foi constatada há bastante tempo. Serve de exemplo o trabalho pioneiro do médico inglês John Snow durante a epidemia de cólera que ocorreu na cidade de Londres no verão de 1854 e causou a morte de milhares de pessoas. Na época, a causa do cólera era desconhecida e a grande maioria dos doentes acabava morrendo devido à falta de tratamento adequado. Snow teve a ideia de marcar em um mapa da cidade pontos correspondendo aos endereços de todos os casos de cólera registrados. Após certo tempo, analisou a distribuição espacial dos casos e constatou que eles se concentravam ao redor de algumas fontes de água, especialmente uma delas. Com isso, convenceu as autoridades a interditarem a fonte circundada pelo maior número de casos e o surto de cólera foi debelado em poucas semanas. Além de poupar muitas vidas, o trabalho de Snow revelou que a origem da doença estava na água, dando nova direção às pesquisas para descobrir seu agente causador. Não por acaso, o vibrião do cólera foi o primeiro organismo vivo observado no microscópio, quando este foi inventado alguns anos mais tarde. Por ter relacionado a doença com o ambiente onde ela ocorre, usando a localização geográfica como base, John Snow é considerado o pai da epidemiologia moderna.

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1.2. Geoprocessamento e Sistemas de Informação Geográfica (SIG) Apesar de tecnologias de localização geográfica acessíveis ao público, como o Google Earth, serem muito recentes, a base científica por trás delas remonta a vários séculos, e os próprios recursos tecnológicos que as suportam também já tem décadas de desenvolvimento. Foi nos anos 1960 que a ciência da informação geográfica e a tecnologia da computação foram reunidas pela primeira vez para resolver um problema prático, originando uma área mais tarde denominada geoprocessamento. Atualmente, o geoprocessamento pode ser definido como um conjunto de tecnologias voltadas à coleta e ao tratamento de informações espaciais. Leia-se aqui informações espaciais como sinônimo de informações geográficas, ou seja, informações cuja localização geográfica é uma característica inerente e importante para o propósito pretendido. A principal tecnologia no geoprocessamento são os programas (softwares) denominados Sistemas de Informação Geográfica (SIG), uma classe especial de sistemas de informação que representa uma poderosa ferramenta para a análise digital de dados localizados geograficamente. Portanto, o geoprocessamento é um conceito mais abrangente e representa qualquer tipo de processamento de dad...