Sistemas de Informações Geográficas: Bases de Dados Geográficas e Exibição de Dados, Notas de estudo de Geologia

Baixe Sistemas de Informações Geográficas: Bases de Dados Geográficas e Exibição de Dados e outras Notas de estudo em PDF para Geologia, somente na Docsity! Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira APOSTILA DE SISTEMA DE INFORMAÇÕES GEOGRÁFICAS PROF. DR. NILSON CLEMENTINO 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 2006 II Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira SUMÁRIO Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 3 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 Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 4 Neste curso, será considerado o primeiro significado de SIG, pois ele abrange também o segundo significado. Os equipamentos para SIG são os mesmos utilizados em qualquer outra aplicação (teclado, monitor, cabos, dispositivos para Internet, processadores CISC e/ou RISC). No entanto a esses equipamentos comuns, podem ser adicionados periféricos extras, tais como receptores de sinais GNSS, grandes impressoras/plotters, restituidores fotogramétricos digitais, scanners, etc. O conjunto de equipamentos de um SIG depende da aplicação e do gerenciamento estratégico da instituição onde o SIG está sendo implantado. Muitas vezes, de comprar um determinado equipamento, se faz a opção de terceirizar o serviço, por exemplo, em vez de comprar um oneroso scanner colorido em formato A0 para digitalizar 500 mapas e depois deste serviço o equipamento cair em desuso, opta-se por terceirizar este serviço em empresas especializadas. Atualmente, um SIG pode ser aplicado a praticamente todas as atividades humanas, uma vez que essas atividades são sempre executadas em algum local, em alguma posição geográfica. As grandes aplicações de Sistemas de Informações Geográficas requerem a montagem de uma equipe multidisciplinar, envolvendo profissionais de informática, bancos de dados, cartografia (cartografia, sensoriamento remoto, fotogrametria, geodésia, etc.) e os outros profissionais das áreas de aplicações do SIG, ou seja, se o SIG estiver sendo aplicado na gestão de distribuição elétrica, se fazem necessários na equipe os profissionais diretamente relacionados com gestão de eletricidade, o mesmo raciocínio pode ser feito com relação a agricultura, planejamento urbano, etc. Além desses profissionais, se faz necessário contemplar também as pessoas que utilizarão as informações geográficas produzidas pelo sistema, pessoas essas, nem sempre relacionadas com a aplicação ou a instituição onde o sistema está implantado. Desta forma, é possível categorizar os recursos humanos em três grupos, o núcleo de geomática, os usuários temáticos e os usuários gerais, conforme se pode observar na figura 2. O Núcleo de Geomática é um laboratório, porém com número reduzido de profissionais altamente capacitados, operando computadores e programas computacionais que geram, tratam, manipulam e analisam grandes bases de dados geográficos, que elaboram metodologias e realizam a construção de aplicativos. Este núcleo é responsável ainda pela capacitação e suporte aos vários outros usuários do sistema, em especial aos usuários temáticos que serão descritos mais adiante. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 5 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 Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 8 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. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 9 • 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? Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 10 Quais as opções de estruturas e formatos de armazenamento de dados se devem utilizar? o Quais critérios podem ser usados para selecionar uma representação? Qual a acurácia da representação? Qual a acurácia de predições, e decisões baseadas em representação? Como minimizar o volume de dados? Como maximizar a velocidade de processamento? Qual a compatibilidade com outros projetos, usuários e programas computacionais? Existe compatibilidade com a percepção que as pessoas tem do mundo? o Como avaliar uma representação? Como medir sua acurácia? Como medir o que está faltando, sua incerteza? Como expressar a representação de forma significativa para o usuário? • Como documentar a representação? • Como visualizar a representação? • Como simular os impactos da representação? o As questões sobre o relacionamento entre a representação Como as pessoas, sem os equipamentos, percebem o mundo? Como podem ser produzidas representações computacionais mais próximas da percepção humana? Como as pessoas raciocinam, aprendem e se comunicam utilizando a geografia? Como produzir informações geográficas de forma mais inteligível? • Para certos tipos de usuários (crianças, portadores de deficiência visual) • Para situações com restrições (cockpit de avião de guerra) • Questões sobre modelos e estruturas de dados o Como armazenar uma representação eficientemente? o Como recuperar informações rapidamente através de indexação apropriada? o Como adquirir interoperabilidade entre sistemas? Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 13 sistemas de cartografia automatizada. Também nos anos 70 foram desenvolvidos alguns fundamentos matemáticos voltados para a cartografia, sendo que o produto mais importante foi a topologia aplicada. Esta nova disciplina permitia realizar análises espaciais entre elementos cartográficos. No entanto, devido aos custos e ao fato destes sistemas ainda utilizarem exclusivamente computadores de grande porte, apenas grandes organizações tinham acesso à tecnologia. No decorrer dos anos 80 do século XX, com a grande popularização e barateamento das estações de trabalho gráficas, além do surgimento e evolução dos computadores pessoais e dos sistemas gerenciadores de bancos de dados relacionais, ocorreu uma grande difusão do uso de GIS. A incorporação de muitas funções de análise espacial proporcionou também um alargamento do leque de aplicações de GIS. No final da década de 80 e início da década de 90 do século XX, os Sistemas de Informações Geográficas eram orientados a pequenos projetos, considerando-se pequenas áreas geográficas com poucos detalhamentos, ainda eram precários os dispositivos de armazenamento, acesso e processamento de dados, além disso, somente em grandes corporações era possível encontrar redes de computadores. Desta forma, realizava-se o mapeamento de uma pequena área, inseria-se este mapeamento em computadores, realizavam-se algumas análises e elaboravam-se mapas e relatórios impressos com as informações geográficas desejadas. Em meados da década de 90, com a popularização da Internet, e a conseqüente popularização das redes de computadores, os Sistemas de Informações Geográficas puderam ser orientados às empresas e/ou instituições, com a introdução do conceito da arquitetura cliente-servidor e a popularização dos bancos de dados relacionais. Nesta época também, os programas computacionais de SIG incorporaram as funções de processamento de imagens digitais. No final da década de 90 e início do século XXI, os Sistemas de Informações Geográficas começam a se tornarem corporativos e orientados à sociedade, com a utilização da Internet, de bancos de dados geográficos distribuídos e com os esforços realizados em relação a interoperabilidade dos sistemas. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 14 Exercícios 1. Explique a diferença entre dado e informação 2. 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? 3. Quais os dois significados distintos para SIG. Explique cada um deles e como eles estão relacionados. 4. Cite alguns equipamentos utilizados na coleta, processamento e exibição de dados e informações geográficas. 5. 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? 6. Qual a diferença entre dados espaciais e dados geográficos? 7. Como composto os dados geográficos e quais suas funções? 8. Explique o que é customização de um programa SIG? 9. O que é uma aplicação do tipo AM/FM? Onde é aplicada? 10. Quais os estágios de um projeto de SIG? 11. O que é a Ciência da Informação Geográfica? 12. Consulte o site GIS Timeline e cite os eventos ocorridos entre 1980 e 1990.  Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 15 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 Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 18 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 Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 19 3.1.1 Estrutura Matricial A estrutura matricial consiste em uma matriz bi-dimensional, que pode ser matematicamente é definida como sendo uma função f(x,y), composta por linhas e colunas, onde cada elemento desta estrutura é contém um número inteiro ou real, podendo ser negativo ou positivo. Cada elemento da estrutura matricial recebe o nome de célula ou pixel (picture element) e pode representar qualquer elemento do mundo real, por exemplo temperatura (pode conter valores positivos para regiões quentes ou negativos para regiões extremamente frias), altitudes (valores positivos para locais acima do nível médio dos mares, ou negativos para locais abaixo do nível médio dos mares), reflectâncias (valores positivos e reais entre 0 e 1), níveis de cinza (valores positivos inteiros, variando de 0 a 255, para imagens de oito bits 28, 0 a 65535 para imagens de dezesseis bits 216, e assim por diante). Os valores de dados armazenados em estrutura matricial podem representar também categorias temáticas do mundo real, por exemplo, no caso do tema vegetação, todas as células com valor 10 podem pertencer a categoria floresta, as células com valor 11 podem pertencer a categoria cerrado e assim por diante. O princípio do armazenamento de dados geográficos em estrutura matricial é bastante simples, basta que o arquivo tenha um cabeçalho, contendo informações sobre as coordenadas do canto superior direito da imagem (x, y), o tamanho da célula em x e em y e finalmente o número de linhas e colunas da matriz. Em seguida, são armazenados sequencialmente todos os valores das células da matriz, desta forma, qualquer célula da matriz possui uma referência geográfica. A figura 6 ilustra um arquivo armazenado em estrutura matricial. Coord. X Coord. Y Res. X Res. Y N. Linhas N. Colunas 428000 7325000 30 30 10 10 200, 124, 234, 244, 145, 34, 12, 45, 345, 123, 321, 124, 122, 300, 301, 302, 40, 1, 2, 34, 54, 45, 12, 13, 54, 65, 67, 34, 43, 23, 0, 11, 24, 32, 24, 55, 36, 47, 28, 27, 45, 65, 76, 78, 98, 9, 25, 23, 434, 56, 764, 34, 234, 234, 21, 32, 34, 54, 67, 78, 89, 90, 45, 32, 23, 11, 22, 34, 55, 445, 12, 23, 44, 55, 55, 12, 12, 32, 34, 45, 56, 65, 67, 76, 76, 45, 34, 45, 56, 12, 34, 45, 657, 12, 23, 44, 55, 65, 12, 12, 43, 45 Figura 6 – Esquema conceitual de dados geográficos armazenados em estrutura matricial Os arquivos em estrutura matricial podem conter ainda várias camadas, mais especificamente bandas, no caso de imagens obtidas por sensores remotos, ou por câmaras fotográficas digitais, ou ainda por meio de dispositivos de digitalização matricial, denominados scanners. Neste caso, os arquivos matriciais podem ser estruturados de três Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 20 formas distintas, sendo elas: Banda Seqüencial (BSQ), Banda Intervalada por Linha (BIL) ou Banda Intervalada por Pixel (BIP). Nestes três casos, o cabeçalho da imagem também contém o número de bandas da imagem, além é claro, do esquema de armazenamento (BSQ, BIL ou BIP), em seguida estão armazenados os valores das células de cada banda. A figura 7, ilustra os esquemas de armazenamentos BIL, BIP e BSQ. Figura 7 – Esquemas de armazenamento de dados em estrutura matricial em múltiplas camadas ou bandas (A) Esquema de armazenamento em Banda Seqüencial (BSQ), (B) Esquema de armazenamento em Banda Intervalada por Linha (BIL) e (C) Esquema de armazenamento em Banda Intervalada por Pixel (BIP) Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 23 ...,,xn, yn), sendo que o primeiro e o último pares de coordenadas são denominados nós e desempenham a função de terminais e/ou conectores das feições lineares, enquanto isso, os pares de coordenadas intermediárias são os vértices da feição linear. Através dos pares de coordenadas que formam o conjunto de feições lineares, é possível obter as propriedades topológicas de comprimento, direção, conectividade e adjacência. A figura 10 ilustra um esquema conceitual da estrutura vetorial composta por feições lineares. Feições lineares com nós e vértices Coordenadas das feições lineares Atributos das feições lineares, com propriedades topológicas explícitas. Figura 10 – Esquema conceitual de feições lineares em SIG Elementos do mundo real, tais como linhas de distribuição elétrica, cabos de telefonia fixa, encanamentos de água, esgoto e gás, eixos de logradouro, eixos da rede de drenagem, são representados por feições lineares. Riachos, rios e estradas, conforme a escala de representação, podem ser representados por feições lineares. 3.1.2.3 Feição Poligonal As feições poligonais são utilizadas para representar elementos do mundo real, que possuem área e perímetro e podem ser representados graficamente. Uma feição linear é graficamente definida um conjunto de feições lineares (L1, L2, .., Ln), que por sua vez são graficamente definidas por conjuntos de coordenadas (x1, y1, x2, y2, ...,,xn, yn). y x Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 24 Através desta estruturação, são definidas as seguintes propriedades topológicas: área, perímetro, adjacência, contingência e o polígono envelope. Linha# Pares de Coordenadas 1 x1, y1, x2, y2,...,xn,yn ... x1, y1, x2, y2,...,xn, yn n x1, y1, x2, y2, ..., xn, yn Lista das linhas que Formam os Polígonos Lista dos Polígonos Adjacentes Tabela de Atributos dos Polígonos Figura 10 - Esquema conceitual de feições poligonais em SIG Elementos do mundo real, tais como limites políticos, corpos d’agua, lotes, quadras, categorias de vegetação, de solos, de geologia e de geomorfologia, entre outros, são representados por estruturas vetoriais poligonais. Os arquivos vetoriais são armazenados nos mais diversos formatos, porém os mais utilizados são: Shapefile, DWG, DXF, DGN, coverage, VPF, entre outros. Atualmente, os bancos de dados geográficos podem conter dados vetoriais. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 25 3.1.3 Formas de Aquisição de Dados Geográficos Atualmente, as ciências e tecnologias disponíveis têm criado muitas possibilidades para a aquisição de dados geográficos. Porém, esta se constitui ainda em uma atividade complexa e onerosa, de tal forma, que no mercado de trabalho nacional e internacional, existem grandes quantidades de empresas focadas apenas nesta atividade e que movimentam grande quantidade de recursos financeiros anualmente, além de contribuir grande geração de empregos diretos e indiretos. A figura 11 ilustra a complexidade desta atividade, que será descrita a seguir. A aquisição de dados geográficos, parte da observação do mundo real, que deve ter o detalhamento, precisão e acurácia compatíveis com os objetivos das informações geográficas a serem produzidas pelo Sistema de Informações Geográficas. Para se realizar as observações do mundo real a fim de se obter dados geográficos em quantidade e qualidade compatíveis com os objetivos a serem alcançados pelo Sistema de Informações Geográficas, se faz necessário utilizar as ciências, tecnologias, técnicas e instrumentos adequados para tal. Dentre as ciências utilizadas para aquisição de dados geográficos, tem-se a Geodésia, o Sensoriamento Remoto e a Fotogrametria, que utilizam técnicas de observação do mundo real, tais como Topografia, Processamento de Imagens Digitais, Restituição Fotogramétrica, utilizando os instrumentos tecnológicos tais como estações totais, receptores GNSS, restituidores digitais, sistemas sensores passivos (óticos) e ativos (radar, laser e sondas). Atualmente, praticamente a totalidade dos instrumentos de observação do mundo real, produz dados digitais, que podem ser transferidos para computadores, a fim de se realizar o processamento dos dados observados, com o intuito de se realizar filtragem, correções, transformações, classificações, interpolações, inferências e estimativas das observações, além de se obter as precisões e acurácias das mesmas. As atividades de processamento de dados oriundos das observações do mundo real são realizadas com o auxílio de programas computacionais de cálculo e desenho topográfico, cálculo geodésico, restituição fotogramétrica, processamento de imagens digitais, processamento de dados de observação a laser, modelagem digital de terrenos, processamento de sinais obtidos por receptores GNSS, etc. São inúmeros os programas computacionais disponíveis e destinados à essas atividades e atualmente é possível encontrar desde programas computacionais gratuitos até programas computacionais comerciais com custos elevados. A decisão de qual utilizar, depende de vários fatores, tais como qualidade dos programas, Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 28 mapa é exibido na tela do computador e então com o mouse é realizada a vetorização ponto a ponto de todos os elementos que formam o mapa. Este tipo de vetorização é utilizado quando não se dispõe de programas computacionais capazes de realizarem vetorização automática ou semi-automática, ou quando o mapa em formato matricial possui muitos ruídos ou quando a quantidade de elementos a serem vetorizados é muito pequena. A vetorização automática não é seletiva, porém é um processo muito rápido, porém o resultado pode não ser satisfatório e a posterior edição torna-se muito complexa pois todos os temas do mapa ficam agrupados e não diferenciados em um único tema, além disso os textos podem não ser reconhecidos como caracteres e se tornam um agrupamento de linhas, esse tipo de vetorização é indicado para imagens classificadas ou quando se tem as camadas do mapa em arquivos separados (um arquivo só de drenagem, outro só de curvas de nível, etc.) A vetorização semi-automática á atualmente muito utilizada para vetorizar mapas armazenados em estrutura matricial, ela é seletiva, e neste processo, o mapa é exibido e o operador clica na feição desejada e o programa então vetoriza automaticamente todos os vértices que formam a linha até que seja encontrado um ponto de dúvida (outra linha cruzando) e então a vetorização é interrompida até que o operador aponte em que direção o vetorizador deve seguir. Esse processo é mais lento que a vetorização automática, porém apresenta melhores resultados, minimizando desta forma o processo de edição. Exercícios 1. Quais as considerações para construir uma representação do mundo real? 2. Descreva os elementos da superfície terrestre de categoria contínua. Como eles podem ser representados? 3. Descreva os elementos da superfície terrestre de categoria discreta. Como eles podem ser representados? 4. Descreva os elementos da superfície terrestre de categoria abstrata. Como eles podem ser representados? 5. Qual a diferença entre estrutura de dados e formato de arquivos? Quais as diferenças entre as estruturas de dados utilizadas em SIG? 6. Quais as características fundamentais dos dados geográficos? Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 29 7. Quais as formas de estruturação dos dados matriciais? Explique cada uma delas. Qual forma de estruturação é utilizada pelas imagens CBERS encontradas no catálogo de imagens do INPE, qual forma de estruturação é mais conveniente para processamento de imagens hiperespectrais. 8. Explique as diferenças entre dados vetoriais para CAD e para SIG. 9. Quais as características dos elementos do mundo real que devem ser armazenados como pontos. Como são armazenadas as geometrias dos dados pontuais? 10. Quais as características dos elementos do mundo real que devem ser armazenados como linhas. Como são armazenadas as geometrias dos dados lineares? 11. Quais as características dos elementos do mundo real que devem ser armazenados como polígonos. Como são armazenadas as geometrias dos dados poligonais? 12. Explique as seguintes propriedades topológicas dos dados geográficos: área, perímetro, direção, conectividade, adjacência, contingência e polígono universo. 13. Dado o seguinte mapa: +1 +2 +3 +5 1 2 3 5 67 8 9 10 11 2 1 3 4 5 6 7 8 +1 Número de Polígono 2 Número de Linha 2 Pede-se: Monte a topologia arco-polígono montando uma tabela para a lista de arcos que formam os polígonos e outra tabela mostrando a direção FNODE-TNODE e adjacência RPOLY-LPOLY. 12 13 14+6 9 10 Número de Nó Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 30 14. Se você possui um mapa em papel, quais os possíveis procedimentos que deveriam ser adotados para transferir os dados do meio analógico para o meio digital, para serem utilizados em um programa de SIG? 15. Explique as diferenças entre digitalização de dados em mesa digitalizadora e a vetorização. 16. Explique os três tipos de vetorização existentes, quando se deve utilizar cada uma delas? 3.1.4 Banco de Dados Geográficos A evolução científica e tecnológica dos últimos anos, impulsionada principalmente pelas necessidades de padronização de dados e a interoperabilidade entre os programas de SIG, fez surgir o conceito de bancos de dados geográficos. Em um banco de dados geográficos, as geometrias e as descrições dos elementos que representam as características do mundo real são armazenadas, gerenciadas e processadas em um único ambiente computacional, o Sistema Gerenciador de Bancos de Dados Relacional. Existem muitos SGBDR’s que suportam dados geográficos a partir da utilização de drivers específicos, entre eles se pode destacar o PostgreSQL com o driver PostGIS, o Oracle com os drivers Spatial e SDE, Ingres, SQLServer, Sybase, Informix e Access, entre outros. O driver tem a função de realizar conversão, inserção, recuperação e extração de dados geográficos junto ao SGBDR, na figura 12 é possível observar um banco de dados geográficos no ambiente do SGBDR Access. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 33 Figura 14 – Tipos de dados suportados pelo Geodatabase O Geodatabase possui as seguintes vantagens: - Edição multi-usuário; - Feições customizadas; - Inclusão de regras topológicas (validação); - Melhoria de topologia; - Subtipos (suporte de regras); - Validação de atributos (domínio, valores nulos) e - Armazenamento escalável. O Personal Geodatabase utiliza o Microsoft Jet Engine e produz arquivos em formato Microsoft Access. Por outro lado, o Enterprise Geodatabase necessita do ArcSDE (ArcInfo Spatial Data Engine) para realizar o armazenamento de dados geográficos em SGBDR. As diferenças (figura 15) entre as três concepções são as seguintes: - O Personal Geodatabase possui um limite de tamanho de armazenamento de 2 Gigabytes e - O Enterprise Geodatabase permite versionamento e edição por múltiplos usuários ao mesmo tempo. - O File Geodatabase armazena conjuntos de dados em um diretório de arquivos no disco do computador. Cada conjunto de dados é armazenado como um arquivo que pode ter aproximadamente 1 TB de tamanho, sendo possível configurar um file geodatabase para armazenar conjuntos de dados muito grandes. File geodatabases podem ser utilizados em multiplas plataformas, podem ser compactados e encriptografados para somente leitura, no caso de uso seguro. Shapefiles CoverageArquivos CAD Geodatabase Arquivos Matriciais GDB Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 34 Apesar das diferenças, o Personal Geodatabase, o Enterprise Geodatabase e o File Geodatabase são manipulados com as mesmas ferramentas do ArcGIS. Figura 15 – Diferenças entre Personal Geodatabase, File Geodatabase e Enterprise Geodatabase Um Geodatabase pode conter vários tipos de elementos, conforme se pode observar na figura 16. Em seguida, serão descritos cada um desses elementos. As tabelas são coleções de linhas e colunas contendo dados não espaciais (atributos, endereços, localização x/y, eventos de rotas, entre outros tipos de dados). As tabelas podem ter colunas com comportamento, linhas de subtipo, valores padrão e domínio de atributos. Além disso, as tabelas podem se relacionarem. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 35 Figura 16 – Elementos de um Geodatabase As classes de feições (feature classes) são tabelas que armazenam as formas dos elementos existentes no mundo real (feições), funcionam como camadas temáticas de dados geográficos. Cada linha da tabela representa uma feição com seus atributos. As feições podem ser de geometria pontual, linear ou poligonal, contendo coordenadas x e y, porém podem também conter coordenadas z e m. As feature classes são associadas a um sistema de referência, contendo projeção cartográfica, sistema de coordenadas e extensão espacial, a figura 17 ilustra uma feature class. Figura 17 – Feature Class em um Geodatabase Outro elemento importante que um geodatabase pode conter é o subtipo, que é definido como grupo de elementos numa tabela ou feature class agrupado por um atributo inteiro. O subtipo pode ser utilizado para automatizar a simbologia de uma feature class, para exibição, conforme se pode observar na figura 18. Contudo, é possível também definir regras para cada Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 38 das feições de uma feature class ou entre um conjunto de feature classes. A figura 22 apresenta alguns dos relacionamentos topológicos que um geodatabase pode conter. Figura 22 – Alguns relacionamentos topológicos em um geodatabase A estrutura do geodatabase foi concebida para suportar também dados geográficos que representam as redes geométricas, formadas pelas relações espaciais e topológicas entre conexões (pontos) e ligações (linhas), conforme se pode observar na figura 23. As redes geométricas são produzidas para se analisar fluxos e melhores opções para deslocamento, analisando-se a conectividade entre as linhas que formam a rede. A conectividade é uma propriedade topológica mantida no geodatabase. Aplicações de infraestrutura tais como rede hidráulica e de esgoto, rede elétrica, rede de telefonia e de gás utilizam os princípios de redes geométricas em SIG. Figura 23 – Rede geométrica contendo propriedades topológicas de conectividade, direção e comprimento No geodatabase podem ainda ser armazenados procedimentos computacionais para processamento de dados geográficos. O ArcGIS tem o conceito de Toolbox (caixa de ferramentas), que podem ser compostas por Toolsets (conjuntos de ferramentas) e Tools (ferramentas), possibilitando que além dos dados geográficos, o usuário possa também armazenar as funções de processamento dos dados que compõem o geodatabase. É possível Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 39 ainda que o usuário construa suas próprias funções de processamento e armazene no geodatabase. A figura 24, ilustra um geodatabase com funções de processamento armazenadas, funções estas provenientes do próprio ArcGIS e também produzidas pelo usuário. Figura 24 – Geodatabase com dados geográficos e funções de processamento Finalmente, o geodatabase pode ainda armazenar feições especializadas (auxiliares), tais como anotação (textos que devem compor mapas) e feições de mensuração que são utilizadas no estabelecimento de medidas, por exemplo, a quilometragem de uma rodovia. Essas feições geográficas são denominadas auxiliares, pois não existem explicitamente no mundo real e sim são produzidas por convenções humanas, tais como nome de um rio, nome de uma rodovia, sistema de quilometragem de uma estrada, quantidade de tempo para navegar um trecho de rio, etc. 3.1.4.2 Construção de Geodatabase A construção de geodatabases pressupõe que sejam respondidas algumas questões importantes, sendo elas: Quais dados farão parte do geodatabase? Qual a referência espacial do geodatabase? Quais dados se relacionarão no geodatabase e como serão esses relacionamentos? Quais serão as regras de validação para os dados? Como serão as redes geométricas? Quais serão os subtipos? As respostas para as questões são obtidas realizando-se uma análise cuidadosa a respeito das informações geográficas que o SIG deverá produzir para suprir as demandas da instituição onde o SIG será ou está implantado. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 40 Antes de se começar a produzir um geodatabase, vários aspectos devem ser observados, o primeiro deles é a respeito da própria finalidade do geodatabase, pois em muitos casos, a tendência do responsável por um SIG é digitalizar todos os dados disponíveis para a área de interesse. Mas a tentativa de colocar todos os dados em um SIG não significa que o trabalho será bem sucedido. Muitas vezes, na tentativa de criar uma base de dados como todos os temas possíveis, pode ocorrer atraso significativo na produção da base de dados devido a não existência do dado, ou ainda devido o mesmo não estar completo ou não possuir detalhamento compatível com os outros dados existentes. Muitas vezes são investidos recursos financeiros e tempo na busca por um dado, porém o mesmo não é utilizado na geração de informações, por isso antes de tudo é necessário realizar um levantamento das informações geográficas que devem ser produzidas, em seguida se pode então iniciar a aquisição dos dados necessários para gerar as informações geográficas demandadas. É muito importante especificar claramente os objetivos do geodatabase antes de se selecionar os dados que o irão compor. Este aspecto está relacionado com o fato de que, muitas vezes, no começo de um projeto existe apenas uma vaga idéia das informações geográficas necessárias para a tomada de decisões em uma instituição. Desta forma, a antecipação dos temas necessários se torna um problema. O método de tentativa e erro pode parecer certo neste momento, mas uma base de dados construída desta maneira, provavelmente, não produzirá os resultados esperados, a menos que se desenvolvam grandes esforços de trabalho repetitivo, correções, melhorias e outras ações que podem retardar a implantação do SIG. Percebe-se que uma abordagem deste tipo pode custar caro, tanto em termos financeiros quanto em termos temporais. A especificação dos objetivos do sistema é um processo sistemático e deve ser realizada várias vezes, a fim de se levantar os objetivos realmente prioritários. Geralmente, na primeira tentativa de se levantar os objetivos de um sistema, ocorrem tendências de se relacionar uma grande quantidade de objetivos, que muitas vezes não são prioritários, desta forma, com a repetição sistemática de levantamentos de objetivos, é possível obter os objetivos realmente necessários que o SIG deverá atingir, ou seja, as informações geográficas necessárias para a tomada de decisão. Na busca por dados geográficos, é possível se deparar com dados digitais não documentados e, portanto não se consegue obter informações relevantes tais como a instituição ou pessoa que produziu o dado, método de aquisição do dado, níveis de precisão e Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 43 Existe a opção, para se ganhar algum tempo ou ainda para se ter uma referência para a construção de seu geodatabase, de se fazer download de um desses modelos e em seguida altera-los conforme seus objetivos, utilizando-se uma ferramenta CASE. O problema deste processo é que além do ArcGIS o usuário deve também adquirir o programa computacional Visio ou Rational Rose. Finalmente, como já foi mencionado anteriormente, as funções disponíveis no ArcToolBox também podem ser utilizadas na construção de um geodatabase. A seguir, será detalhada a construção de um geodatabase a partir das ferramentas disponíveis no ArcGIS. Conforme ilustra a figura 27, o usuário pode criar um geodatabase a partir do ArcCatalog ou do ArcToolbox. Figura 27 – Criação de um geodatabase a partir do ArcCatalog ou do ArcToolbox Após a criação do geodatabase, o usuário pode inserir a estrutura de tabelas, conforme se pode observar na figura 28. A inserção de estruturas de tabela pode ser realizada no ArcCatalog e/ou também no ArcToolBox. Inicialmente se especifica o nome da tabela, em seguida os nomes dos campos que integram a tabela, juntamente com os tipos de dados para cada um dos campos. ArcCatalog Ferramenta do ArcToolbox Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 44 Figura 28 – Criação de uma estrutura de tabela em um geodatabase, utilizando ArcCatalog e ArcToolBox Os campos das tabelas podem receber até oito tipos de dados, conforme se pode observar na tabela 1. Tabela 1 – Tipos de dados que uma tabela de um geodatabase pode conter A criação de feature class (de pontos, linhas ou polígonos) no geodatabase é semelhante a criação de tabelas, inicialmente se deve especificar o nome da feature class, em seguida o tipo de geometria (ponto, linha ou polígono), bem como todos os campos de atributos do dado. É possível especificar ainda a referência espacial. A figura 29 ilustra a criação de uma feature class em um geodatabase. Durante a criação da feature class, é possível especificar se as feições da mesma conterão valores altimétricos (Z) e valores de medições lineares (M), através da especificação contains z values e contains m values respectivamente. A figura 30 ilustra feições com valores Z e M. ArcToolBox ArcCatalog Short Integer Long Integer Float Double Text Tipos Bytes 2 Date BLOB 4 8 Variável 8 Variável 4 Limites -32,768 até +32,767 -2,147,483,648 até +2,147,483,647 –3.4e38 até +1.2e38 (~7 dígitos significativos) –2.2e308 até +1.8e308 (~14 dígitos significativos) Até ~64.000 characters mm/dd/yyyy hh:mm:ss am/pm Contexto binário ou outras multimídias Raster Variável Imagens Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 45 Figura 29 – Criação de uma feature class em um geodatabase Figura 30 – Propriedades de elevação e de mensuração de uma feição linear Os pontos, linhas ou polígonos que integram uma feature class podem ser únicos ou multi-partes. No caso de feições multi-partes, todas as coordenadas de todas as partes da Y X Z Ponte à 10,60 quilômetros Campo SHAPE é automático (armazena a geometria) Propriedade geométrica: Pontos, linhas ou polígonos? Usa valores de z e/ou m? Configura a referência espacial (datum, projeção, etc.) Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 48 áreas alagadas, etc.). Ao agrupar todas essas feature classes em uma feature dataset, se tem o benefício da organização dos dados, além do aumento da rapidez na utilização dos dados. Em um geodatabase, as feature classes e as features dataset podem possuir diferentes referências espaciais. Para se especificar a referência espacial, é necessário inicialmente realizar a especificação do sistema de referência geográfico, ou seja, especificar o elipsóide e datum do dado, em seguida, se pode especificar a projeção cartográfica desejada e finalmente o domínio espacial do dado, conforme se pode observar na figura 35. Figura 35 – Etapas para especificação da referência espacial de um geodatabase A etapa de definição da referência espacial deve ser realizada com bastante cautela, é necessário que se tenha bom conhecimento sobre Geodésia e Cartografia neste momento, devido a grande quantidade de elipsóide e data. Além disso, também existe uma grande quantidade de projeções cartográficas e cada uma delas apresenta características distintas e devem ser utilizadas para atingir objetivos específicos, na figura 36 (a) e (b) é possível observar algumas das características gerais das projeções cartográficas. Antes de se escolher uma determinada projeção cartográfica, é sempre importante que se faça uma leitura de suas características, limitações e empregos, desta forma, o ArcGIS disponibiliza através do seu sistema de ajuda todas as descrições sobre as projeções cartográficas nele disponíveis, conforme se pode observar na figura 37. Outro aspecto relevante é a observação da legislação e normas cartográficas uma vez que podem existir instrumentos jurídicos em nível federal, estadual e municipal que regulam qual datum e/ou que projeção cartográfica deve ser utilizada na produção de dados e informações geográficas. A observação da legislação e também o conhecimento de Geodésia e Cartografia seguramente evitarão transtornos técnicos, jurídicos, políticos e institucionais na tomada de decisões a partir das informações geograficamente referenciadas. Sistema de referência • Forma e dimensão da Terra • Raio, elipsóide, etc. • WGS84, SAD69, etc. • Pode alterar Projeção cartográfica • 3D da Terra para 2D do mapa • Origem, unidade, etc. • Lambert, UTM, etc. • Pode alterar X Y Domínio para as coordenadas x/y, z e m • Controla o armazenamento • Precisão • Estensão • Não pode alterar Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 49 Figura 36 – (a) Tipos de projeção cartográfica utilizando superfícies geométricas de projeção; (b) Tipos de distorções que ocorrem com a aplicação de projeção cartográfica. Figura 37 – Consulta das características de uma projeção cartográfica no sistema de ajuda do ArcGIS Cilíndrica Plana Cônica Forma Distância Área Direção (a) (b) Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 50 A definição e/ou alteração da referência espacial de features datasets, de feature classes ou de qualquer outro tipo de arquivo vetorial ou matricial suportado pelo ArcGIS pode ser realizada a partir do ArcCatalog e/ou do ArcToolBox. Em cada uma das opções passa-se pela mesma ferramenta, que possibilita a seleção do sistema de referência geodésico e a projeção cartográfica a partir de listas disponíveis no ArcGIS, ou ainda é possível importar essas informações de algum outro dado já existente, além de possibilitar a criação de um sistema de referencia espacial personalizado ou finalmente realizar a modificação de sistemas de referências geodésicas e projeções cartográficas existentes. Na figura 38 é possível observar a ferramenta para definição e/ou alteração da referência espacial. Figura 38 - Ferramenta para definição e/ou alteração da referência espacial De posse de um geodatabase estruturado, a etapa seguinte consiste em acrescentar dados no mesmo. Podem ser acrescentados dados armazenados em estrutura vetorial ou em matricial, nesta etapa será considerada apenas a inclusão de dados vetoriais em geodatabases. Os dados geográficos vetoriais podem ser provenientes de inúmeras fontes, desta forma, o ArcGIS disponibiliza ao usuário um grande conjunto de ferramentas para realizar conversões de formatos e estruturas de dados para o geodatabase. Com ArcGIS é possível digitalizar mapas a partir de mesas digitalizadoras ou então vetorizar mapas digitalizados em Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 53 É importante observar que não se deve editar ou modificar qualquer dado do geodatabase sem a utilização do ArcGIS, pois além das tabelas de feature class existem outras tabelas e relacionamentos de difícil controle e qualquer alteração realizada sem a utilização do ArcGIS pode levar a degradação e/ou corrupção do geodatabase e portanto à perda definitiva de parte ou de todos os dados que compõem o geodatabase. Além dos dados armazenados em estruturas vetoriais, o geodatabase suporta também dados armazenados em estruturas matriciais. A menor unidade do dado matricial é o pixel, sendo que um dado matricial pode possuir uma grande quantidade de pixels, cada um deles representando um valor numérico. Os pixels são organizados em linhas e colunas, conforme se pode observar na figura 43, além disso, o dado matricial pode também ser composto de várias camadas (ou bandas). Existem dois tipos de dados matriciais, os discretos que representam uma variável qualitativa e os contínuos que representam uma variável quantitativa. Figura 43 – Detalhe de um pixel de um dado armazenado em estrutura matricial Quando os dados matriciais representam apenas uma variável, eles possuem apenas uma banda de dados, no entanto, os dados matriciais podem também representar múltiplas variáveis, neste caso, eles possuirão múltiplas bandas, sendo que no geodatabase, todas as bandas são armazenadas num Raster Dataset, sendo que até três bandas podem ser exibidas em uma composição colorida na tela do computador. No caso das imagens de satélite, quando o sistema sensor produz apenas uma banda o dado matricial é denominado de monocromático, por outro lado, quando o sensor produz várias bandas de várias partes do espectro eletro-magnético, o dado matricial é denominado multiespectral, conforme se pode observar na figura 44. Por outro lado, qualquer dado geográfico pode ser armazenado em estrutura matricial, por exemplo, um mapa composto de vetores (linhas, pontos e polígonos) pode ser digitalizado num scanner gerando assim um 1000 colunas 1000 linhasPixel 1000 linhas 1000 linhas Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 54 dado matricial. Dados de superfícies contínuas, tais como relevo, temperatura, pressão atmosférica, batimetria, entre outros também podem ser armazenados em estrutura matricial. Figura 44 – Dados matriciais com somente uma banda (pancromático) e com várias bandas (multiespectral) O ArcCatalog e o ArcToolBox possuem ferramentas para criar e carregar dados matriciais em geodatabase, sendo que no ArcToolBox se faz necessário acessar a tool box denominada Data Management Tools e em seguida se faz necessário acessar a toolset Raster, conforme se pode observar na figura 45. Figura 45 – Ferramentas para criação e importação de dados matriciais no geodatabase Existem três possibilidades de se armazenar dados matriciais em um geodatabase. Os dados matriciais podem ser armazenados em um Raster Dataset ou em Raster Catalog ou ainda como atributos de uma feature class ou tabela. Dado Pancromático r ti Dado Multiespectrallti tr l ArcCatalogr t l ArcToolBoxr l Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 55 Um Raster Dataset suporta qualquer tipo de dado matricial válido para o ArcGIS (GRID, IMG, TIFF, etc.), possibilita rápida visualização em qualquer escala, pode ainda mosaicar (concatenar) múltiplas imagens e construir camadas de reamostragens (algorítmo pirâmide). O ArcToolBox disponibiliza ferramentas para copiar dados matriciais, convertendo desta forma arquivos no formato GRID, IMG, TIFF, etc. para o geodatabase, além de carregar Raster Datasets em um Raster Catalog. É possível também criar Raster Datasets vazios, mosaicar Raster Datasets num Raster Dataset existente ou em um novo. A figura 46 ilustra as ferramentas do ArcToolBox utilizadas para manipular Raster Datasets. Figura 46 – Ferramentas do ArcToolBox utilizadas para manipulação de Raster Datasets Um Raster Catalog é uma coleção lógica de Rasters Datasets, onde uma tabela possui os endereços dos Rasters Datasets, cada Raster Dataset fica referenciado a uma linha da tabela. Um Raster Catalog produz a articulação geográfica das Rasters Dataset, esta articulação pode ser utilizada em pesquisas espaciais, a figura 47 ilustra um Raster Catalog. Figura 47 – Articulação de um Raster Catalog Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 58 11. Observe a estrutura do geodatabase abaixo e responda: 12. No caso da criação de um geodatabase contendo feature datasets, na projeção cônica equivalente de Albers, pergunta-se: Quais os parâmetros desta projeção cartográfica, quais as características, restrições e emprego desta projeção cartográfica? 13. O que é um raster dataset e o que é um raster catalog? 14. No diretório c:\disciplinas\sig\dados\brasil, crie um personal geodatabase denominado Brasil. Siga as etapas de criação do geodatabase, conforme é apresentado no vídeo geodatabase1.htm. 15. Assista o video “subtipo1.htm”, sobre a criação e utilização de subtipos e repita as etapas do vídeo. 16. Adicione, visualize e explore as feature classes do geodatabase Brasil no ArcMap. a.) Qual é o nome do geodatabase? b.) Quantos feature datasets possui e quais são eles? c.) Quantos feature classes existem no feature dataset Cartografia? Quais são poligonais, quais são lineares e quais são pontuais? d.) Quantas tabelas existem no geodatabase e quais os nomes das tabelas. e.) Quantas classes de relacionamento existem no geodatabase e quais os nome delas. f.) Qual o nome da ToolBox existente no geodatabase? Quais os tipos e nomes das ferramentas? g.) Existe dado armazenado em estrutura matricial no Geodatabase? Qual o nome dele? h.) Existe alguma Feature Class do tipo anotação no geodatabase? Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 59 3.1.4.3 Regras e Domínios dos Atributos O Geodatabase além de armazenar dados em estruturas matricial e vetorial, por ser concebido sobre os conceitos de bancos de dados, suporta o armazenamento de domínios e regras de validação para os atributos de tabelas e de feature classes. As regras de validação para campos de atributos ajudam a encontrar e a prevenir erros nos atributos. Elas são implementadas como propriedades dos campos e também como domínios que podem estar associados aos campos. As propriedades de campo de atributos são aplicadas em todos os registros (linhas) de uma tabela ou feature class para um campo específico, porém valores padrões e domínios podem ser atribuídos para subtipos. Pode ser especificado que um determinado campo não pode conter valores nulos (Allow NULL values). Esta regra é testada durante sessões de edição do dado (tabela ou feature class). É possível especificar também valores padrões (Default value), para ser automaticamente atribuído ao campo de atributo da tabela quando um novo registro (ou feição) for criado. Valores padrões podem ser associados a um campo para todos os registros ou para subtipos específicos. Ao solicitar as propriedades de uma tabela ou feature class, o usuário pode especificar regras de validação e domínios, conforme se pode observar na figura 51. Figura 51 – Acessando as propriedades de uma feature class Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 60 Os domínios de atributos definem regras adicionais para os campos em tabelas ou feature classes. Eles são criados como propriedades do geodatabase. Eles são associados aos campos através da edição das propriedades da tabela ou da feature class (figura 51). O mesmo domínio pode ser associado à muitos campos em diferentes tabelas e podem ser aplicados à todos os registros e subtipos de registros. A utilização primária de um domínio é a definição dos valores legais que podem ser armazenados em um campo. Existem dois tipos de domínio, o tipo a ser utilizado depende da natureza do dado a ser armazenado na tabela ou na feature class. Os domínios de intervalo (Range Domains) são utilizados para dados mensurados (quantitativos), tais como profundidade de poços, níveis de contaminação, ou ainda altura de postes. Eles definem os valores máximo e mínimo legais para o campo. Os domínios de valores codificados (Coded value domains) são utilizados para dados qualitativos, tais como códigos de uso do solo, códigos de material de encanamento de água, ou ainda códigos de tipo de pavimentação de ruas. Eles definem uma lista de códigos legais e suas descrições. A figura 52 apresenta uma tabela contendo os dois tipos de domínio, com o destaque na cor vermelha está o campo PoleHeight (Altura de postes), que possui domínio de intervalo e com destaque na cor verde, está o campo Landuse (Uso da terra) com domínio de valores codificados (Comercial, Industrial e Residencial. Figura 52 – Tabela contendo domínios de intervalo (range domain) na cor vermelha e valores codificados (coded domain) Para criar domínios em um geodatabase, é necessário que se siga as seguintes etapas, no ArcCatalog, se deve clicar com o botão direito do mouse sobre o geodatabase desejado, em seguida abrir suas propriedades. Será aberta uma caixa de diálogo contendo uma aba Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 63 Figura 55 – Processo de validação de uma feição geográfica com regra de domínio Exercícios 1. Para que servem os domínios? 2. Quantos domínios um geodatabase pode conter? 3. O que são domínios do tipo Coded e domínios do tipo Range? 4. Assista o vídeo “dominio1.htm”, e repita cada uma das ações do filme, para criar domínios, associar domínios à campos de feature classes e realizar edição de dados com domínios. 3.1.4.4 Classes de Relacionamento do Geodatabase As classes de relacionamento do geodatabase gerenciam o relacionamento entre pares de classes em um geodatabase. Um relacionamento é implementado como um elemento e aparece no ArcCatalog como ícone contendo nome único e propriedades. A figura 56 apresenta um relacionamento entre duas feature classes. As classes de relacionamento oferecem muitas capacidades avançadas: Acesso de leitura e escrita (Read-write access): Possibilita a edição de atributos em classes relacionadas. Todas as cardinalidades (All cardinalities): As cardinalidades um-para-um, um-para- muitos, e muitos-para muitos são suportadas. Diâmetro possui valores de 1 – 8 i tr i l r Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 64 Simples ou composta (Simple or composite): Relacionamentos podem ser simples ou composto, onde a classe pai controla o tempo de vida da classe filha relacionada. Por exemplo, se duas feature classes estão relacionadas com um relacionamento composto, a feição “filha” segue a feição “pai” quando ela é movida ou rotacionada. Regras de relacionamento (Relationship rules): É possível criar regras para refinar a cardinalidade entre classes baseadas em subtipos. Por exemplo, lotes e edificações possuem cardinalidade um-para-muitos, mas regras podem estabelecer que uma propriedade comercial possa somente estar relacionada com edificações comerciais (escritórios, armazéns, etc.). Integridade Referencial (Referential integrity): A classe de relacionamento gerencia os campos chaves que ligam as classes e em um relacionamento composto, realize uma “eliminação em cascata” para apagar todas as classes “filhas” quando relacionadas com uma classe “pai” apagada. Figura 56 – Estabelecimento de uma classe de relacionamento Uma classe de relacionamento pode ser utilizada para pesquisar, editar, analisar e produzir relatórios de dados e informações geográficas. Os relacionamentos são estabelecidos entre pares de classes (tabelas e/ou feature classes em um geodatabase), sendo um deles a origem e outro o destino do relacionamento. A escolha da origem tem impacto na integridade referencial. As classes são relacionadas através de seus campos chaves com valores comuns. Os campos em duas classes são correlacionados baseados nos valores encontrados em seus campos chaves. Na figura 57 o lote 789 se correlaciona com as edificações 2 e 3 pois todos aqueles registros possuem o mesmo valor para lote. Os campos chaves podem ter nomes BuildingTypeToBuilding Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 65 diferentes (no exemplo Lote_ID e Lote), porém devem ter o mesmo tipo de dado (tal como short integer, long integer, ou text) e possuir o mesmo valor de informação. O campo chave na classe origem é chamado de chave primária origem em muitas vezes possui a notação “PK”. Por outro lado, o campo chave na classe destino é denominada chave estrangeira destino e contém valores que se correlacionam com o campo chave primária origem. O campo chave estrangeira destino possui a notação “FK”. Figura 57 – Chaves de relacionamento primaria e estrangeira no estabelecimento de uma classe de relacionamento Uma classe de relacionamento pode ser criada em ArcCatalog, com a manipulação de um geodatabase ou de um feature dataset (dentro de um geodatabase). Conforme se pode observar na figura 58, é aberta uma caixa de diálogo onde são especificadas as propriedades da classe de relacionamento. O ArcToolBox também disponibiliza as ferramentas para se criar classes de relacionamentos. Figura 58 – Criação de classes de relacionamento no ArcCatalog e no ArcToolBox ArcCatalog ArcToolBox LoteToEdific Lotes (origem) Edific (destino) Lote_ID Zona Bloco 123 • • • • • • 456 • • • • • • 789 • • • • • • Origem chave primáriari ri ri Data • • • • • • • • • LoteEdific 4561 7892 1234 • • •7893 Destino chave estrangeirati tr ir Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 68 Exercícios 1. Para que servem as classes de relacionamento no Geodatabase? 2. Quais as vantagens de relacionamentos compostos? 3. O que são campos chaves no relacionamento de dados? 4. Quantos dados (tabelas ou feature classes) são relacionados em uma classe de relacionamento? 5. Assista o vídeo “relate_class1.htm” e repita as operações de relacionamento entre as feature classes Limite_estadual e Limite_municipal. 3.1.4.5 Anotações no geodatabase Um mapa sem textos é um mapa mudo, fica incompleto e sua utilização praticamente inviabilizada, por isso, se faz necessário colocar textos sobre os mapas, para descrever sucintamente as feições geográficas. Apesar de parecer uma tarefa simples, quando se começa a verificar a grande quantidade de feições que um mapa pode conter e ainda os requisitos que o mapa deve ter em relação aos textos (os textos devem possuir cores e tamanho para serem lidos com facilidade, porém não devem se destacar mais que as feições cartográficas, não devem se sobrepor com outros textos, devem ser colocados de forma estratégica e harmoniosa, devem apresentar sobreposição mínima com as feições geográficas, etc.), esta se torna uma tarefa bastante complexa. Em ArcGIS, existem duas maneiras de se colocar textos nas feições dos mapas, uma delas é através do uso de rótulos (labels) e outra através do uso de anotações. Um rótulo é um texto exibido dinamicamente sobre o mapa, quando o usuário aproxima, afasta ou desloca o mapa, os rótulos são re-posicionados e re-dimensionados de acordo com a escala de exibição do mapa em tela. Os rótulos são sempre tratados como um grupo, ou seja, não se pode movimentar ou alterar a cor de apenas um rótulo individualmente. As propriedades dos rótulos (cor, tamanho, posição, fonte) são armazenadas como elementos do Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 69 mapa e são sempre ligadas com as feições que elas representam, portanto, se uma feição não for exibida, o seu texto também não será exibido no mapa. As anotações são diferentes dos rótulos, pois cada anotação possui sua posição, texto e propriedades de exibição individuais, assim, em um mapa cada anotação pode ser selecionada e individualmente editada. As anotações são estáticas, quando se desloca ou aproxima o mapa, as anotações não sofrem qualquer re-posicionamento ou re-dimensionamento, sendo necessário alterar suas características de posição e dimensão manualmente. Contudo, é possível gerenciar a posição, cor, tipo de fonte, tamanho, etc. de cada anotação individualmente. As anotações podem ser armazenadas de três maneiras: (1) como um gráfico no documento de mapa, (2) como uma feature class em um geodatabase, ou (3) como uma feição ligada a uma feature class em um geodatabase. As anotações são tipicamente textos, porém o ArcGIS permite que outras entidades gráficas tais como retângulos, círculos, pontos, setas, etc. possam ser armazenados no geodatabase como anotações. Partes individuais de anotação podem ser selecionadas e editadas, como qualquer outra feição, utilizando-se o ArcMAP do ArcGIS. Como qualquer outro tipo de feição em geodatabase, todas as feições em uma feature class de anotação possuem localização e atributos. Elas também podem ser armazenadas dentro de feature dataset. Comparada com feature classes simples (pontos, linhas, ou polígonos), a anotação é única, pois cada feição de anotação possui simbologia associada, que inclui propriedades como tipo de fonte, tamanho, cor, e alinhamento. Estas propriedades de simbologia são armazenadas como atributos em uma feature class de anotação. Podem ser estabelecidas classes de relacionamento de tipo composto entre uma feature class de anotação e outra feature class simples (pontos, linhas ou polígonos), mantendo desta forma a integridade referencial, como está ilustrado na figura 62. Desta forma, se uma feição simples for movimentada, ou sofrer rotação, ou ainda, for apagada, o mesmo efeito será reproduzido sobre a anotação. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 70 Figura 62 – Classe de relacionamento composto entre dados de polígonos e anotação Um relacionamento composto é automaticamente construído entre as feições de anotação e suas feições “pai” quando é criada uma feature class de anotação ligada à feição (feature- linked). O efeito é que as feições de anotação herdam todos os efeitos de edição gráfica que as feições “pai” recebem. O texto utilizado pela anotação é também derivado dos atributos de uma feição “pai”, e quando o atributo é alterado, a anotação é automaticamente atualizada. Uma feature class simples de geodatabase pode ter várias feature classes de anotação ligadas, porém uma feature class de anotação pode ser ligada a somente uma feature class simples. A figura 63 ilustra como é estabelecida a classe de relacionamento em anotação e feature class simples. R1 C2 R1 C2 Relacionamento de polígono com anotaçãol i t lí t Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 73 nesta movimentação de coordenadas. Por exemplo, é possível forçar que um dado de baixa acurácia se mova em relação a um dado de alta acurácia. Um uma base de dados de SIG, muitas feições podem ser completamente ou parcialmente coincidentes. Por exemplo, os lotes, setores censitários, e uso do solo podem apresentar sobreposição uns com os outros. Uma topologia de geodatabase integra feições coincidentes em um ambiente de edição comum no ArcMap de tal forma que, se for alterada uma feição compartilhada (como limite de lote), automaticamente as feições coincidentes também são alteradas. É possível escolher um conjunto de dezenas de regras topológicas entre as feature classes em uma topologia para definir as relações espaciais válidas entre elas. A topologia do geodatabase encontra erros, e o ArcMap possui as ferramentas para exibi-los e corrigi-los. A topologia permite o gerenciamento da integridade espacial do dado com ferramentas para edição de geometria coincidente entre classes. Desta forma, múltiplas feature classes podem ser editadas simultaneamente se eles possuem geometria coincidente. Por exemplo, é possível que um lote possa compartilhar um limite comum com polígonos de zoneamento, uso do solo e subdivisão. Utilizando as ferramentas de edição de topologia para alterar limites compartilhados, todas as feature classes serão automaticamente atualizadas de uma só vez. A integridade espacial é gerenciada por um conjunto de regras que o usuário define para auxiliar a encontrar e corrigir os erros topológicos. Por exemplo, o usuário pode decidir implementar uma regra, na qual os polígonos de solos não podem se sobrepor uns aos outros. A topologia encontra um erro e o armazena como uma feição especial de polígono, que pode ser exibido em ArcMap. A maioria dos erros possuem correções automáticas que podem ser aplicadas através do ArcMap. Para continuar o exemplo, o usuário selecionaria o erro de sobreposição, e então escolheria uma opção para apagar a área sobreposta: fazendo a junção com um dos polígonos de solo, ou criando um novo polígono de solo para ele. A figura 64 ilustra alguns procedimentos de edição de dados a partir de regras tolológicas. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 74 Figura 64 – Edição de feições geográficas a partir da utilização de regras topológicas As ferramentas topológicas também podem ser utilizadas na produção de novas feições a partir de feições existentes. Em ArcCatalog, é possível criar uma nova feature class de polígonos a partir de um conjunto de feições de linhas de entrada. Em ArcMap é possível construir novas feições de polígonos a partir de um conjunto de linhas selecionadas, criar novas feições de linhas a partir da quebra de linhas selecionadas onde elas se cruzam, ou ainda criar novas feições de linhas a partir das bordas de polígonos selecionados. A topologia é um elemento especializado do geodatabase. Como todos os elementos, ela armazena propriedade, mas também armazenas feições especializadas de pontos, linhas, e polígonos que são utilizadas na localização de violações de regras e áreas “sujas” (áreas não validades). Em vez de armazenar informação topológica com as feature classes, a topologia descobre os relacionamentos onde a informação é requisitada, ou seja onde se está editando com as ferramentas de edição topológica do ArcMap. A topologia pode ser criada com ArcCatalog ou com ArcToolBox. Um elemento de topologia é sempre localizado na mesma feature dataset que contém as feature classes participantes de topologia, como se pode observar na figura 65. O usuário fornece o nome da topologia, define uma tolerância de agrupamento (cluster tolerance), e especifica que feature classes participam da topologia e sua relativa posição (rank), ou importância. O usuário pode então definir regras opcionais para a topologia. Regras: Ruas não se cruzamr : r Erro encontrado Erro corrigido R. 1 R. 2 R. 2 R. 1 R. 1 R. 2 R. 1 R. 2 Mover limites de lotesr li it l t Regra: polígonos de solos sem sobreposiçãor : lí l r i Erro encontrado Erro corrigido Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 75 Figura 65 – Topologia “ParcelsTopology”, localizada dentro da feature dataset “ParcelFeatures”, no geodatabase NorthLondon.mdb Após a criação da topologia em ArcCatalog ou em ArcToolBox, o usuário pode escolher validá-la em ArcCatalog ou em ArcMap (a validação é quando as coordenadas são agrupadas “snapped”). As feature classes participantes da topologia são editadas em ArcMap, que cria áreas “sujas” (não validadas). Durante a edição, a topologia é utilizada com o intuito de se encontrar erros e então corrigi-los com as ferramentas de edição topológica. Ou ainda os erros podem ser marcados como exceção. O trabalho pode ser validado no ArcMap para encontrar mais erros ou ainda para eliminar as áreas “sujas” da topologia. A figura 66 apresenta um diagrama com os procedimentos que envolvem o trabalho com topologia. Figura 66 – Etapas do trabalho com dados topológicos Cria topologia ri t l i Tolerância de Agrupamento l r i r t Níveisí i Regrasr Áreas sujas r j Correção de erros rr rr Errosrr Exceções Fazer exceções r Validação topológica li t l i Editar feições it r f i Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 78 (construído com levantamentos expeditos), digitalizado em mesa digitalizadora, este segundo dado seria de menor qualidade que o primeiro, assim seria atribuído à ele um nível menor (rank = 2, por exemplo), desta forma, as bordas do zoneamento seriam ajustadas com as bordas dos lotes durante o processo de validação. A figura 69 ilustra as movimentações que ocorrem com os pontos finais e as linhas de quebra das feições em um processo de validação. Figura 69 – Movimentações que ocorrem durante processo de validação Existem vinte e cinco regras topológicas pré-definidas que se pode opcionalmente utilizar para definir os relacionamentos topológicos entre feições geográficas. As regras podem ser aplicadas em feature classes e em subtipos de feature classes. Algumas regras envolvem uma única feature class enquanto que outras envolvem duas feature classes de mesma ou de diferentes geometrias. Alguns exemplos de regras topológicas são apresentados a seguir e ilustrados na figura 70: • Lotes ... Não devem ter espaços vazios entre eles (gaps) • Estados ... O limite da área deve ser coberto pelos limites de municípios • Curvas de Nível ... Não devem ter intersecção • Rotas de Ônibus ... Devem coincidir com as ruas • Válvulas … Devem coincidir com os pontos finais dos canos Após a especificação das regras, elas são testadas durante a validação topológica. Os erros são armazenados na topologia para uso no ArcMap, que possui ferramentas especiais para localiza-los e corrigi-los. As regras de topologia podem ser definidas quando se cria uma nova topologia. É possível adicionar e apagar regras através da edição das propriedades de uma topologia existente. N = Maior nível L = Menor nível Extremidades se movem p/ localização média tr i / l li i linha L move p/ linha Nli / li N N LN LL Mesmo nívelí l níveis diferentesí i if r t Tolerância de agrupamentol r i r t Crackpoints se movem para a extremidade r i t r tr i Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 79 É possível gravar as regras em um arquivo para carregá-las quando necessárias. Figura 70 – Algumas regras topológicas pré-definidas e apresentadas pelo ArcGIS Uma área suja (dirty área) é qualquer parte da topologia que tenha sido editada desde a última validação, ou seja, as coordenadas não foram ajustadas e as regras topológicas não tenham sido aplicadas naquela área. Uma topologia pode possuir várias áreas sujas. Quando se cria uma topologia, toda extensão geográfica da feature class é uma área suja. Após a validação não existirão mais áreas sujas. Na sessão de edição subseqüente, cada vez que se edita uma coordenada, uma área suja é criada ao redor das feições envolvidas na edição, conforme se pode observar na figura 71. As validações subseqüentes são aplicadas somente nas áreas sujas, portanto economizando tempo de processamento. Figura 71 – Criação de área após edição de vértice É possível que áreas sujas sejam criadas após a alteração de subtipos de feições, devido a alteração de regras topológicas, ou pela alteração da tolerância de agrupamento da propriedade de topologia. Nestes casos, é necessário realizar a validação topológica após esses tipos de alterações. Com a validação podem existem três estados de topologia: • Não validada: A topologia não foi validade e uma ou mais áreas sujas existem. Erros podem ou não existir; • Validada com erros: A topologia foi validada. Não existem áreas sujas, porém foram encontrados erros; • Validada sem erros: A topologia foi validada. Não existem áreas sujas, e não foram encontrados erros. Área “suja” criadaInserir vértice Antest Sessão de Edição i Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 80 O processo de validação movimenta as coordenadas de feições para assegurar que se tornem iguais se elas estão dentro da tolerância de agrupamento. Ela também aplica as regras topológicas especificadas produzindo feições geográficas sem erros. É possível escolher a validação da topologia em ArcCatalog, em uma sessão de edição de ArcMap (onde é possível desfazer a validação), ou no ArcToolBox. No primeiro estágio da validação, as feições são testadas para verificar se elas estão dentro da tolerância de agrupamento com outras feições através da checagem dos vértices. Se necessários novos vértices são criados (através de quebras – cracking) em linhas e polígonos onde estão dentro da tolerância de agrupamento com outra feição. Em seguida os vértices são agrupados (são movimentados para uma posição média, ou um se move para a posição do outro). Este processo nunca cria novas feições, ele simplesmente faz feições existentes se coincidirem geograficamente. A figura 72 ilustra este processo. Figura 72 – Processo de quebra e agrupamento de feições durante a validação topológica Finais de linhas são consideradas mais importantes que os vértices e linhas. A seguir são apresentadas as regras de movimentação de finais e vértices de linhas (este comportamento pode ser alterado com os níveis de prioridades das feições): • Dois finais de linha são agrupados; • Dois vértices de linhas são agrupados; • Um vértice de linha é agrupado com um final de linha. No segundo estágio da validação, as feições ajustadas são testadas para se verificar se elas estão violando alguma das regras topológicas (linhas em balanço, polígonos se sobrepondo, etc.). Os erros são gravados como feições pontuais, lineares e poligonais no elemento de topologia do geodatabase e podem se exibidos em ArcMap. As regras topológicas são testadas durante a validação. Se uma violação é encontrada, então uma feição de erro (que pode ser de ponto, linha ou polígono) é criada, dentro do elemento de topologia, com os atributos que identificam a regra que foi violada, as feições que causaram o erro, e sua localização. As ferramentas de edição topológica do ArcMap AgrupamentoQuebra DepoisiAntest Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 83 versões modificadas. No segundo caso, o usuário tem a liberdade de adquirir e utilizar gratuitamente o programa computacional, mas não consegue observar o código fonte, alterá-lo e distribuir novas versões alteradas. Nos últimos anos tem havido uma grande oferta de programas computacionais livres e gratuítos, em todas as áreas do conhecimento, basta consultar o portal www.sourceforge.net para acessar a maioria das novidades que surgem a cada dia, inclusive na linha dos programas computacionais para SIG. Como exemplo, se pode citar programas computacionais como o SPRING, TERRALIB e TERRAVIEW (figura 74), cujo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais é o maior desenvolvedor. Figura 74 – Programa Computacional TerraView, desenvolvido pelo INPE, TecgrafPUC-RIO e FUNCATE em parceria com LESTE/UFMG Existem ainda outros programas computacionais desenvolvidos por outros países tais como o gvSIG (figura 75), o QuantumGIS, o OpenJump, o ILWIS, etc. Alguns desses programas trabalham com o conceito de banco de dados geográficos e muitos deles utilizam o Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 84 banco de dados POSTGRESQL para armazenar dados geográficos, para isso, é necessário mais um programa computacional que promove a comunicação entre os programas computacionais de SIG e o POSTGRESQL, que é o POSTGIS, esses programas podem ser adquiridos acessando os sites http://www.postgresql.org e http://www.postgis.org. Figura 75 – Programa computaciona gvSIG, desenvolvido em Valência-Espanha. Em ambiente do sistema operacional Windows, após a instalação do POSTGRESQL/POSTGIS, o usuário pode acessar o programa pgAdmin (figura 76) Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 85 Figura 76 – PgAdmin, programa computacional gráfico para acessar o banco de dados POSTGRESQL/POSTGIS. NOTA: Ao instalar o POSTGRESQL/POSTGIS, é importante que se escolha o Encoding do tipo UTF8, para que os dados geográficos sejam corretamente armazenados no banco de dados POSTGRESQL. Além do POSTGRESQL/POSTGIS, existem outros programas computacionais para banco de dados geográficos, tais como MySQL, Oracle Spatial, etc. O ArcGIS tem a capacidade de utilizar dados geográficos armazenados no POSTGRESQL/POSTGIS, através de um aplicativo chamado zigGIS, disponível gratuitamente na Internet. Exercícios 1. Quais as diferenças entre programas computacionais livres e programas computacionais gratuítos. 2. Consulte os sites www.sourceforge.net e www.freegis.org para consultar os programas computacionais para GIS livres e/ou gratuitos. 3. Consulte o site www.dpi.inpe.br/terraview, faça download do programa computacional TerraView e instale o mesmo no seu computador. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 88 Devido as complicações tecnológicas referentes a visão tridimensional via tela de computador, as técnicas de fotogrametria, em especial a estereoscopia, só puderam ser implementadas em computadores pessoais recentemente. Todavia, atualmente alguns programas de SIG já incorporaram as funções de fotogrametria, como é o caso do ArcGIS, através da extensão Stereo Analysis produzida pela empresa Leica Geosystems, conforme ilustra a figura 76. Além da extensão de fotogrametria, é necessária a utilização de placas de vídeo e óculos especiais para que seja possível a visão estereoscópica (em terceira dimensão). Figura 76 - Funções para processamento de imagens digitais no ArcGIS a partir da extensão Image Analysis Figura 77 - Funções para fotogrametria no ArcGIS a partir da extensão Stereo Analysis Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 89 O mapeamento com a utilização de laser é uma inovação tecnológica muito recente, no entanto, já existe a possibilidade de se processar dados oriundos deste tipo de mapeamento em ambientes de sistemas de informações geográficas, como é o caso do ArcGIS com a extensão Lidar Analyst. A figura 78 ilustra a extração de feições geográficas vetoriais tridimensionais (em formato shapefile), a partir de dados de mapeamento com laser. Figura 78 – Extração de feições geográficas tridimensionais no programa computacional ArcGIS, com a extensão Lidar Analyst, a partir do processamento de dados obtidos por mapeamento com laser Vários outros programas computacionais de SIG tais como Geomedia, MapInfo, SPRING, etc. possuem funções e ferramentas semelhantes para a aquisição de dados a partir de levantamentos terrestre, aéreos e orbitais. Um outro fator a ser considerado é que os programas computacionais dedicados ao processamento de dados topográficos, de GNSS, fotogramétricos, de sensoriamento remoto, etc. atualmente produzem dados armazenados em estruturas vetoriais e/ou matriciais compatíveis e viáveis de serem utilizados pelos programas SIG de forma direta (sem conversão) ou indireta (mediante conversão de dados). Além de todos os métodos e equipamentos utilizados no levantamento de dados geográficos, muitas vezes é necessário utilizar mapas prontos, armazenados em meio analógico (papel) e também em meios digitais (CD-ROM, DVD, Internet, etc.). No caso de mapas em papel, esses necessitam ser digitalizados (convertidos da forma analógica para digital), isto pode ser realizado utilizando-se scanners ou mesas digitalizadoras (figura 79). Com mesas digitalizadoras são obtidos arquivos digitais armazenados em estruturas vetoriais (pontos, linhas e polígonos), no entanto, a digitalização com este tipo de dispositivo é um Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 90 processo demorado e oneroso, pois além do próprio custo da mesa digitalizadora para aquisição e manutenção, ainda é necessário a disponibilização de espaço físico considerável para a instalação do equipamento. É necessário considerar também outros fatores importantes a respeito do uso desses equipamentos, um deles é com relação a fixação do mapa sobre a mesa, que geralmente é realizado com fita adesiva que com o tempo e umidade podem se deformarem ou soltarem; outro fator importante é o tempo para a digitalização de mapas, o que pode levar o operador a cometer erros, principalmente devido ao cansaço. Mesa Digitalizadora Scanner Figura 79 – Equipamentos utilizados na digitalização de mapas O processo geral de digitalização de mapas envolve as seguintes etapas: 1. Fixação do mapa na mesa digitalizadora, que é feito principalmente com a utilização de fitas adesivas. O mapa deve ser colocado na área útil da mesa e não é necessária nenhuma preocupação maior em relação ao posicionamento do mapa sobre a mesa. 2. Registro ou calibração do mapa através da utilização de pontos de coordenadas conhecidas (pontos de controle). São identificados pontos com coordenadas conhecidas, principalmente nos cantos do mapa, com o auxílio na maioria das vezes do reticulado da projeção cartográfica. Esses pontos são digitalizados e então são fornecidas as coordenadas de terreno destes pontos. Em seguida, utiliza- se algum processo de transformação de coordenadas planas (isogonal, afim, polinomial, projetiva, etc.) para estabelecer as relações matemáticas entre as coordenadas da mesa digitalizadora e as coordenadas de mapa. O processo matemático de registro (ou calibração) de mapas será apresentado adiante. 3. Digitalização de feições geográficas (pontos, linhas e polígonos) em camadas de dados específicas (layers, shapefiles, feature classes, etc.). De posse das relações Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 93 as mesmas utilizadas na calibração (ou registro) de mapas em mesa digitalizadora, anteriormente mencionado e também no registro de imagens de satélite. Para que seja possível realizar a transformação de coordenadas de imagem em coordenadas de mapa, é necessário que existam pontos (bem distribuídos e em quantidade suficiente) no mapa onde tanto as coordenadas de imagem quanto as coordenadas de mapa estejam explicitas, esses pontos são também denominados de pontos de controle, além disso, é necessária também a escolha de um modelo matemático que represente todas as transformações e distorções geométricas necessárias durante a transformação de coordenadas. Finalmente, como a imagem sofrerá algumas transformações e distorções é necessária a escolha de um método de reamostragem de pixels que garanta a qualidade do produto final. A figura 81 ilustra as etapas deste tipo de procedimento. Figura 81 – Etapas da transformação de coordenadas No caso de mapas, a escolha de pontos de controle é facilitada através do reticulado da projeção cartográfica. Se o arquivo matricial do mapa estiver em boas condições (não possuir distorções) basta que se escolham no mínimo quatro pontos, cada um deles em cada canto extremo do mapa, no entanto, com a seleção de mais pontos espalhados pelo mapa, a transformação pode ter maior qualidade, no entanto, é necessário observar se o tempo gasto nesta etapa não está também comprometendo o desenvolvimento do trabalho. No caso de outros documentos, tais como fotografias aéreas e imagens de satélite, que não tenham um reticulado cartográfico confiável materializado, a seleção dos pontos de controle é realizada a partir de pontos notáveis (cruzamentos de estradas, cantos de construções, etc.) perfeitamente identificáveis no documento, no entanto é necessário que se obtenha as coordenadas de mundo desses pontos, isto pode ser realizado utilizando-se levantamentos com receptores GNSS, mapas, ou ainda imagens orbitais e aéreas que tenham sido geograficamente corrigidos (tenham sofrido transformações de coordenadas previamente). É necessário observar também, no caso das imagens aéreas e orbitais, a distribuição geométrica, bem como a quantidade de pontos de controle considerados. Em relação à seleção do modelo matemático para se realizar a transformação de coordenadas, pode se optar por um modelo isogonal, ou afim ou ainda polinomial. O modelo Escolha de Pontos de Controle Seleção do Modelo Matemático Escolha do Método de Reamostragem Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 94 matemático da transformação isogonal envolve quatro parâmetros, sendo eles, dois referentes a translação (uma no eixo das abscissas (X) e outra no eixo das ordenadas (Y)), um referente a escala e finalmente o último referente a rotação. O modelo é apresentado a seguir: X = a * coluna + b * linha + X0 [4] Y = -b * coluna + a * linha + Y0 [5] Sendo que: X e Y Coordenadas de mapa (ou de mundo); a, b, X0 e Y0 Parâmetros da transformação, onde X0 e Y0 são as translações; e linha e coluna Linha e coluna da imagem. A transformação afim possui seis parâmetros sendo eles, duas translações, uma rotação, duas escalas (uma para X e outra para Y) e um fator de não ortogonalidade entre os eixos do sistema de coordenadas. O modelo é apresentado a seguir: X = a * coluna + b * linha + X0 [6] Y = c * coluna + d * linha + Y0 [7] Onde: X e Y Coordenadas de mapa (ou de mundo); a, b, c, d, X0 e Y0 Parâmetros da transformação, onde X0 e Y0 são as translações; e linha e coluna Linha e coluna da imagem. As transformações polinomiais possuem número de parâmetros variáveis, dependente do grau do polinômio aplicado, sendo que sempre possuem os dois parâmetros de translação. A seguir é apresentado o modelo matemático polinomial até 2º grau: X = X0 + a0 * coluna + a1 * linha + a2 * coluna2 + a3 * linha * coluna + a4 * linha2 ... [8] Y = Y0 + b0 * coluna + b1 * linha + b2 * coluna2 + b3 * linha * coluna + b4 * linha2 ... [9] Sendo: X e Y Coordenadas de mapa (ou de mundo); a0...an, b0...bn, X0 e Y0 Parâmetros da transformação, onde X0 e Y0 são as translações; e linha e coluna Linha e coluna da imagem. As transformações polinomiais devem ser utilizadas em ocasiões especiais, quando houver distorções geométricas que as transformações isogonal e afim não contemplem. Todas as transformações de coordenadas apresentam a mesma lógica, ou seja, de posse dos parâmetros de transformação, qualquer coordenada de linha e coluna da imagem pode ser transformado em coordenadas de mundo. Porém, existe o problema de se determinar os valores dos parâmetros da transformação, para isto é que são utilizados os pontos de controle Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás – Sistemas de Informações Geográficas Prof. Dr. Nilson Clementino Ferreira 95 bem como, as técnicas matemáticas de ajustamento de observações (Gemael, 1994). Ao se obter os parâmetros de transformação, obtém-se consecutivamente o erro médio quadrático e se este for menor que o padrão de exatidão cartográfico classe A (0,5 mm * Denominador da Escala do Mapa) para a escala do mapa que se está transformando as coordenadas, pode-se aceitar e então aplicar os parâmetros de transformação de coordenadas. Existem vários programas computacionais capazes de realizar a transformação de coordenadas (ou o georreferenciamento) de dados matriciais. O ArcMap é um desses programas, através de uma barra de ferramentas denominada Georeferencing, ilustra a figura 82. Figura 82 – Barra de ferramentas Georeferencing com a entrada de um ponto de controle por apontamento e fornecimento de coordenadas, e o relatório com o erro médio quadrático (RMS) de cada ponto de controle. O Georeferencing utiliza a transformação de coordenadas afim (que coincide com o polinômio de 1º grau), bem como os polinômios de 2º e 3º graus. Além disso, possibilita ao Barra de ferramentas Coordenadas de um ponto de controle Erro Médio Quadrático